不對(duì)稱故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變換器控制研究

宋平崗，喻 沖

(華東交通大學(xué) 電氣學(xué)院，南昌 330013)

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求與日劇增，而地球上常規(guī)能源有限，風(fēng)能的開發(fā)利用已成為全球的共識(shí)。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的增大，風(fēng)電的并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響越來越嚴(yán)重，因此須提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障的響應(yīng)能力。

對(duì)于目前廣泛采用的 DFIG而言，由于其發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接相連接，因此其受電網(wǎng)影響比較大。文獻(xiàn)[1]對(duì)電壓不對(duì)稱跌落下的電網(wǎng)的頻率，相角和幅值的快速檢測(cè)進(jìn)行了研究，這是分析風(fēng)電機(jī)組不對(duì)稱運(yùn)行的前提。文獻(xiàn)[2～4]對(duì)不對(duì)稱跌落下的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了建模與分析，對(duì)變流器提出了四種控制方案，并得到不同控制方案下，正、負(fù)序轉(zhuǎn)子電流的給定量。但是這些研究成果多重點(diǎn)研究電壓發(fā)生小值跌落下的控制策略，而對(duì)大值跌落下的研究較少，而發(fā)生大值跌落時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的過流和過壓更加明顯。文獻(xiàn)[5]對(duì)A相跌落20%的情況進(jìn)行了仿真，但對(duì)Crowbar的控制方式未給出具體的分析。文獻(xiàn)[6]對(duì)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱大值跌落下的轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路的控制策略進(jìn)行了分析，而未對(duì)不對(duì)稱跌落的控制策略進(jìn)行分析。

本文重點(diǎn)研究電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落下 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略，提出了一種抑制轉(zhuǎn)子側(cè)負(fù)序電流和并聯(lián)Crowbar電路的控制策略。

1 不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG模型

為了對(duì)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落情況下 DFIG的暫態(tài)過程進(jìn)行分析，首先建立 DFIG在不平衡電網(wǎng)電壓下的數(shù)學(xué)模型，圖1給出了兩相靜止αβ坐標(biāo)，以同步轉(zhuǎn)速ωs正向旋轉(zhuǎn)的正序坐標(biāo)dq+和以-ωs反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序坐標(biāo)dq-三者之間的矢量關(guān)系，由圖1可得矢量關(guān)系式：

圖1 αβ，dq+，dq-坐標(biāo)之間的矢量關(guān)系

式中F可表示為電壓，電流或磁鏈，指數(shù)上面的+、-表示正序、負(fù)序旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)。

DFIG在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 T型等效電路圖如圖2所示。

圖2 DFIG的T型等效電路

由圖2可得，其定子和轉(zhuǎn)子的磁鏈和電壓方程如下：

式中，Rs和Rr為定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻值；Ls=Lσs+Lm和Lr=Lσr+Lm為定子和轉(zhuǎn)子的自感；Lσs，Lσr，Lm分別為定轉(zhuǎn)子漏感和定轉(zhuǎn)子之間的互感；Isdq，Irdq為定轉(zhuǎn)子電流；ωs為同步角速度；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；ωs-ωr為相對(duì)角速度。

由式(1)和圖(1)可知，定轉(zhuǎn)子電流，電壓和磁鏈可表示為正序和負(fù)序分量的組合：

2 不平衡電網(wǎng)電壓下的DFIG的瞬時(shí)功率

與平衡電網(wǎng)電壓相類似，定子輸出的有功、無功功率的表達(dá)式為：

式中，p0，q0為有功，無功功率的平均值；pc2，ps2為二次有功余弦，正弦諧波峰值；qc2，qs2為二次無功余弦，正弦諧波峰值；ωs為電網(wǎng)頻率。將式(3)代入后展開可得：

由式(2)可得，當(dāng)忽略定子電阻時(shí)：

將式(3)代入式(6)可得：

在本文中，采取 DFIG定子電壓定向的矢量控制方式，及Usq+=0，可得ψsd+=0。

3 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略

電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱跌落時(shí)，電路中的電壓和電流都存在著正負(fù)序分量。而由于負(fù)序分量會(huì)導(dǎo)致控制性能變差，因此要求轉(zhuǎn)子側(cè)變流器除確保 DFIG輸出平均有功、無功功率以外，還應(yīng)該確保整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中無負(fù)序電流的輸出，本文采用一種抑制轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量的控制方式。

為了抑制轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量，在設(shè)計(jì)控制指令時(shí)，令轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量的給定電流：Id-*=Iq-*=0，代入式(5)可得出轉(zhuǎn)子電流正序分量的給定量：

由式(2)可知轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電壓方程為：

式(9)中σ=1-Lm2/LsLr為漏感因數(shù)，根據(jù)式(8)，(9)可得到在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱跌落下轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略，控制框圖如圖3所示。圖中的Urdq+`,Urdq-`為電壓補(bǔ)償量。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)電壓不平衡跌落條件下的控制框圖

由式(7)，(9)可計(jì)算得：

電網(wǎng)電壓在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，此時(shí)電網(wǎng)電壓存在著負(fù)序分量，為了跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位，于是在正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+下，電網(wǎng)電壓的q軸分量存在二倍頻的波動(dòng)分量，因此在鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)中，須加濾波設(shè)計(jì)，對(duì)二倍頻的波動(dòng)分量進(jìn)行濾除，為此在設(shè)計(jì)增強(qiáng)型鎖相環(huán)(EPLL)中采用了在q軸分量上加入了陷波頻率為2倍頻的陷波器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4 DFIG的Crowbar保護(hù)策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生大值跌落時(shí)，此時(shí) DFIG發(fā)出的功率不能及時(shí)送出，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的過流和直流母線的過電壓，為了保護(hù)變流器免受過流和過壓的危害，流過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流須限制在其限額以內(nèi)，可采用將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子回路斷開，將轉(zhuǎn)子保護(hù)電路接入轉(zhuǎn)子回路的方案，此保護(hù)電路稱為Crowbar電路。當(dāng)電壓發(fā)生小值跌落時(shí)，這種狀態(tài)下可通過圖3所示控制系統(tǒng)的適當(dāng)設(shè)計(jì)使其轉(zhuǎn)子側(cè)的電流保持在其限額內(nèi)，無需保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生較大的跌落時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的過流將不可避免，這種情況下將啟動(dòng) Crowbar電路渡過這段危險(xiǎn)時(shí)間直到電壓恢復(fù)正常時(shí)。

圖4 增強(qiáng)型PLL結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于 Crowbar電路采用滯環(huán)比較器(如圖 5所示)來對(duì)其進(jìn)行控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流|Ir|大于預(yù)先設(shè)置的閥值IH時(shí)，比較器輸出1，此時(shí)Crowbar電路接入轉(zhuǎn)子回路，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短路。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流|Ir|小于預(yù)先設(shè)置的閥值IL時(shí)，比較器輸出0，這時(shí)Crowbar電路將不啟動(dòng)。設(shè)定IH=1.7p.u.，IL=1.4p.u.。

圖5 滯環(huán)比較器

5 系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證在不對(duì)稱電壓跌落條件下，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略的有效性，采用圖6所示的DFIG發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)見表1。

圖6 DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型圖

表1 DFIG仿真參數(shù)

5.1 小值不對(duì)稱跌落時(shí)

設(shè)定A相電壓在0.56s時(shí)發(fā)生單相短路故障，電壓跌落25%，0.7s時(shí)故障解除。為比較分析，圖7為傳統(tǒng)控制策略的仿真波形，圖8為采用圖2所示的控制策略的仿真波形圖。從圖 7可看出，其電網(wǎng)功率，電磁轉(zhuǎn)矩在0.56s以后波動(dòng)較大存在大量的二次紋波。而圖3所示的控制策略可以有效的減小負(fù)序分量的影響，從圖 8可看出，其電網(wǎng)功率和電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較小，證明了此控制策略的可行性。

5.2 大值非平衡跌落時(shí)

設(shè)定A相電壓在0.56s跌落至0.15p.u.，0.7s時(shí)故障解除。其仿真結(jié)果如圖9所示。其中ICrowbar為Crowbar電路的電流。可見當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生大值跌落后，轉(zhuǎn)子電流急劇升高，達(dá)到閥值IH時(shí)觸發(fā)Crowbar電路中的門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)導(dǎo)通，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子解列，轉(zhuǎn)子電流通過Crowbar消耗在RCrow上而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流減小到小于IL后，GTO關(guān)斷轉(zhuǎn)子側(cè)變流器重新投入工作。由此可見采用Crowbar電路可以抑制電壓發(fā)生大值跌落下的浪涌電流，保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。

圖7 采用傳統(tǒng)控制策略的仿真結(jié)果

圖9 電網(wǎng)發(fā)生大值跌落時(shí)的仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障狀態(tài)下傳統(tǒng)控制策略的缺點(diǎn)，在增強(qiáng)型鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上建立了 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)的控制策略，采用的是抑制轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉(zhuǎn)子電流的諧波含量，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電網(wǎng)功率的二次紋波。并在一臺(tái)額定功率為1.5MW的DFIG樣機(jī)上進(jìn)行了仿真，證明了此控制策略的可行性。

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