改進控制策略與硬件電路結(jié)合的故障穿越方法

高 陽

(天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

0 引言

近年來，世界各國都高度重視風(fēng)能資源的開發(fā)和利用，并取得了長足的發(fā)展。但在風(fēng)力發(fā)電規(guī)模擴大的同時，其安全運行對電力系統(tǒng)也造成一定的影響，其中難度較大的是故障穿越運行。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(Double Fed Induction Generator，DFIG)具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高、換流器容量小、有功無功解耦控制等諸多優(yōu)點，成為風(fēng)電市場的主流機型。但DFIG定子繞組與電網(wǎng)直接相連，使其對電壓故障尤為敏感，因此，進一步提高DFIG的故障穿越能力，滿足日益嚴格的電網(wǎng)規(guī)程要求，成為當前的熱點研究問題[1-4]。

基于改進控制策略，文獻[5]提出增加定子電壓前饋瞬態(tài)補償項來改善故障穿越能力和瞬態(tài)特性。文獻[6]提出一種改變轉(zhuǎn)子側(cè)變流器低電壓穿越的控制策略，省去對定子磁鏈的觀測，使控制算法更加簡便。文獻[7]針對故障期間定子磁鏈所出現(xiàn)的負序分量和直流分量，提出新型的控制策略。文獻[8]提出計及控制策略影響的雙饋風(fēng)力發(fā)電機的暫態(tài)模型，以此實現(xiàn)DFIG的故障穿越。但是通過主動的控制策略，只能穿越較輕的電壓跌落故障。在電壓跌落較為嚴重時，因轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器容量的限制，不能提供足夠的控制電壓限制轉(zhuǎn)子的故障電流，所以需要附加技術(shù)應(yīng)對我國電網(wǎng)規(guī)范中提出的低電壓穿越要求。撬棒保護電路因簡單有效而被廣泛應(yīng)用，但是存在風(fēng)電機組失控問題，雙饋電機變?yōu)椴皇芸氐漠惒桨l(fā)電機運行后，很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩飛升[9-12]。許多文獻提出了改進的被動故障穿越技術(shù)。文獻[13]提出的基于轉(zhuǎn)子串電阻的雙饋機組故障穿越技術(shù)，改善了機組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和瞬態(tài)行為，但是沒有給出直流側(cè)卸荷電路的具體分析。文獻[14]利用轉(zhuǎn)子串電阻方案解決低電壓穿越問題，但對轉(zhuǎn)子串電阻阻值的確定沒有進行詳細分析。

針對以上問題，本文提出一種基于改進控制策略和附加硬件電路相協(xié)調(diào)的故障穿越方法。給出考慮定子勵磁電流動態(tài)變化的精確數(shù)學(xué)模型，分析了附加轉(zhuǎn)子串電阻電路和直流卸荷電路的理論依據(jù)、限流電阻和卸荷電阻阻值的確定以及開關(guān)信號控制策略。通過MATLAB/SIMULINK仿真平臺，控制信號來決定附加硬件保護電路是否投入，減小對對電壓跌落的不同程度進行仿真分析，通過開關(guān)控系統(tǒng)的負面影響，改善機組的瞬態(tài)響應(yīng)。

1 計及定子電流動態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)矢量控制方式并沒有考慮定子勵磁電流的動態(tài)變化，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時可簡化DFIG的數(shù)學(xué)模型，得到相對較好的穩(wěn)態(tài)運行性能，但并不適用于電網(wǎng)電壓跌落情況下的控制。此外，考慮到任何附加硬件電路的投入，對系統(tǒng)本身都是一種擾動。所以本文采用一種計及定子勵磁電流動態(tài)變化的控制模型，減小在電網(wǎng)電壓跌落程度較輕時附加保護電路投入對系統(tǒng)帶來的負面影響。

雙饋發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子均采用電動機慣例，并且將轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，DFIG在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的電壓方程和磁鏈方程為：

(1)

(2)

令等效定子勵磁電流Imo=LsIs/Lm+Ir，于是有

(3)

(4)

在電網(wǎng)電壓正常時，定子磁鏈為一恒值，此時dImo/dt=0，沒有定子勵磁電流的動態(tài)變化。但在電網(wǎng)電壓跌落時，定子磁鏈發(fā)生動態(tài)變化，dImo/dt≠0，(4)的第一個方程變?yōu)椋?/p>

(5)

將其帶入(4)的第二個方程得轉(zhuǎn)子電壓為：

(6)

上式是改進控制策略的依據(jù)，采用定子電壓定向控制，上式可寫為：

(7)

從(6)可以看出改進控制器的思路是在傳統(tǒng)矢量控制模式基礎(chǔ)上考慮定子勵磁電流動態(tài)變化的補償量Lm(Us-RsIs-jω1ψs)/Ls，以此進行解耦電路的改進，減小在故障期間對雙饋機組定、轉(zhuǎn)子的影響。改進的計及定子勵磁電流動態(tài)變化的轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略如圖1所示。

圖1 計及定子勵磁電流變化的改進控制框圖

2 附加硬件電路的分析與控制

基于改進控制策略和附加硬件電路相協(xié)調(diào)的故障穿越方案系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 附加硬件電路相協(xié)調(diào)的故障穿越結(jié)構(gòu)圖

2.1 轉(zhuǎn)子串電阻保護電路

根據(jù)(1)(2)可得轉(zhuǎn)子電壓的另一種形式

(8)

Lrσ、Rrσ分別為轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電感和瞬態(tài)電阻：

(9)

(10)

可以看出，增大轉(zhuǎn)子回路或定子回路電阻均能增加轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電阻。按照串聯(lián)電阻保護電路接入位置的不同，分為轉(zhuǎn)子串電阻保護電路和定子串電阻保護電路。雖然定子串電阻保護電路很小的限流電阻值就能抑制轉(zhuǎn)子過電流，但是轉(zhuǎn)子電壓受電阻大小影響不敏感；此外，定子串電阻方案并不像轉(zhuǎn)子串電阻那樣僅需處理部分容量即可，而且所需的元器件額定容量較大，導(dǎo)致設(shè)備體積增加，損耗高、效率低，成本高。所以本文選擇轉(zhuǎn)子串電阻電路來抑制轉(zhuǎn)子過電流。

2.1.1 限流電阻阻值的確定

轉(zhuǎn)子串電阻電路限流電阻阻值的確定首先要以最嚴重電壓故障條件下轉(zhuǎn)子故障電流可能出現(xiàn)的最大值為依據(jù)。此外，限流電阻是串聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器之間的，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)變換器仍處于工作狀態(tài)，所以還需考慮轉(zhuǎn)子側(cè)變換器所能承受的最大電壓。

包含轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出電壓量的轉(zhuǎn)子故障電流的表達式可近似表示為[14]：

(11)

(12)

根據(jù)邊界條件：

ira,max≤ir,lim

(13)

Vrp≤VRSC,lim

(14)

式中：ir,lim是轉(zhuǎn)子電流的安全限值，A;VRSC,lim是轉(zhuǎn)子變換器電壓安全限值，V。通過(12)(13)(14)可計算出時間常數(shù)τr，之后可求出轉(zhuǎn)子串電阻阻值Rrsr：

(15)

2.1.2 轉(zhuǎn)子串電阻電路模型及控制

轉(zhuǎn)子串電阻保護電路主要由限流電阻和旁路開關(guān)組成，其拓撲結(jié)構(gòu)及開關(guān)控制策略如圖3所示。保護電路的投入對系統(tǒng)本身也是一種擾動，所以采用轉(zhuǎn)子電流與其安全限值比較后來決定限流電阻是否投入，并不是在故障發(fā)生時就立即接入保護電路，以此減小對系統(tǒng)的負面影響。即轉(zhuǎn)子電流未超過安全限值2 p.u.時,旁路開關(guān)閉合，限流電阻被旁路；若轉(zhuǎn)子電流超過安全限值2 p.u.時，旁路開關(guān)打開，限流電阻串入電路，轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電阻增加，避免轉(zhuǎn)子繞組過電流現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 轉(zhuǎn)子串電阻電路拓撲結(jié)構(gòu)及開關(guān)控制策略

2.2 直流卸荷電路

卸荷電路通常由絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、二極管和卸荷電阻構(gòu)成。直流側(cè)卸荷電路及開關(guān)控制策略如圖4，通過開關(guān)信號的控制來投入或切出卸荷電路，以此維持故障期間直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖4 直流卸荷電路拓撲結(jié)構(gòu)及開關(guān)控制策略

2.2.1 卸荷電阻阻值的確定

卸荷電阻的大小對變換器故障穿越能力有很大影響，選擇合適的電阻值有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

直流側(cè)電容電壓的控制方程為:

(16)

式中：Udc_max是直流母線允許的最大電壓；Pr是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的功率；Pg是網(wǎng)側(cè)變換器輸出的功率。電網(wǎng)故障程度、變換器過載能力和直流側(cè)電壓都會影響卸荷電阻阻值的大小[15]。假設(shè)發(fā)生故障以后，電網(wǎng)電壓突變?yōu)棣胾g，γ為此時的電壓與額定電壓的比值；ug為額定電壓；網(wǎng)側(cè)變換器電流變?yōu)?1+δ)ig，ig為額定電流，δ為故障發(fā)生后超出額定電流的比值部分。此時直流電容電壓的控制方程變?yōu)椋?/p>

(17)

若限制δ防止網(wǎng)側(cè)變換器過流，此時ΔP將會增大，多余的能量需要通過卸荷電阻消耗掉，以此來抑制直流母線電壓的升高，防止過電壓現(xiàn)象發(fā)生。

忽略電路中非線性元件的影響，卸荷電阻的大小取決于允許消耗的最大功率和直流母線允許的最大值Udc_max，據(jù)此得卸荷電阻阻值為：

(18)

計算卸荷電阻阻值時需要注意，因根據(jù)電阻的發(fā)熱情況，功率參數(shù)應(yīng)留有一定的安全裕量。

2.2.2 卸荷電路的控制

同轉(zhuǎn)子串電阻保護電路一樣，采用直流母線電壓與其額定限制進行比較后來決定卸荷電阻是否投入，減小直流卸荷電路在故障期間的運行時間，最小化對系統(tǒng)的負面影響。若直流母線電壓超過其最大限值1.2p.u.時，功率開關(guān)閉合，卸荷電路投入運行，通過卸荷電阻將多余的能量釋放掉，以此來維持直流母線電壓的穩(wěn)定。若直流母線電壓在安全限值1.2p.u.以內(nèi)，功率開關(guān)打開，卸荷電路此時不接入系統(tǒng)。

3 仿真驗證及結(jié)果分析

3.1 仿真條件

基于MATLAB/SIMULINK仿真平臺，按照圖1所示搭建仿真模型。其中雙饋感應(yīng)發(fā)電機參數(shù)為：額定功率為2 MW，定子額定線電壓為690 V，直流母線額定電壓為1 200 V，額定頻率為50 Hz，極對數(shù)為3，定子電阻為0.0108 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻為0.0102 p.u.，定子漏感為0.102 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感為0.11 p.u.，定轉(zhuǎn)子間的互感為3.362 p.u.。

3.2 仿真分析

圖5為電壓跌落程度為20%時雙饋風(fēng)力發(fā)電機的瞬態(tài)響應(yīng)波形，電壓跌落程度為20%時的波形如圖6所示。此時沒有附加硬件電路的投入，且轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓、電磁轉(zhuǎn)矩均在安全限值范圍以內(nèi)，可以有效抑制轉(zhuǎn)子過電流，保護轉(zhuǎn)子勵磁變換器。僅通過考慮定子勵磁電流動態(tài)變化的改進控制策略就能保證機組完成低電壓穿越，驗證了改進控制策略相比于傳統(tǒng)的控制策略在應(yīng)對較輕電網(wǎng)電壓故障時更具有優(yōu)越性。

圖5 電壓跌落程度20%時瞬態(tài)響應(yīng)波形

圖6 開關(guān)狀態(tài)信號波形

圖7是電壓鐵落程度45%時雙饋風(fēng)力發(fā)電機的瞬態(tài)響應(yīng)波形。

圖7 電壓跌落程度45%時瞬態(tài)響應(yīng)波形

電壓跌落程度為45%時，轉(zhuǎn)子串電阻保護電路沒有接入系統(tǒng)，但直流側(cè)卸荷電路投入運行，波形如圖8所示。通過考慮定子勵磁電流動態(tài)變化的改進控制策略就可以控制轉(zhuǎn)子電流在安全限值2 p.u.以內(nèi)。但從變換器直流側(cè)母線電壓的變化波形能夠看出，此時其波動范圍超出安全限值，必須啟動直流側(cè)卸荷電路，以此來抑制直流母線過電壓。因此，當電壓跌落為額定值的45%時，要求改進控制策略和直流卸荷電路互相配合，從而確保機組順利完成故障穿越。其中電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅度遠低于安全限值，風(fēng)電機的組扭切應(yīng)力沖擊被減小，利于延長雙饋風(fēng)力發(fā)電機的使用壽命。

圖8 開關(guān)狀態(tài)信號波形

電壓跌落程度為75%時的雙饋風(fēng)力發(fā)電機的瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖9所示。轉(zhuǎn)子串電阻保護電路和直流卸荷電路都投入系統(tǒng)運行。如圖10所示，若僅通過考慮定子勵磁電流動態(tài)變化的改進控制策略，轉(zhuǎn)子故障電流已超過安全限值2 p.u.，所以必須接入轉(zhuǎn)子串電阻電路，以此來抑制轉(zhuǎn)子過電流。但是單純利用轉(zhuǎn)子串電阻電路不能滿足直流母線電壓在安全限值范圍以內(nèi)，需要直流卸荷電路的投入抑制直流母線電壓，改善故障穿越能力。

圖9 電壓跌落程度75%時瞬態(tài)響應(yīng)波形

圖10 開關(guān)狀態(tài)信號波形

4 結(jié)論

通過以上分析，驗證了基于改進控制策略和附加硬件電路相協(xié)調(diào)的故障穿越方案的有效性，確保了雙饋風(fēng)電機組不間斷并網(wǎng)運行，成功穿越電網(wǎng)故障。改進控制策略能滿足電網(wǎng)電壓跌落程度較輕情況下的故障穿越，有效控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流情況，保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，減小在傳統(tǒng)控制策略下保護電路的投入對系統(tǒng)的負面影響；電網(wǎng)故障較為嚴重時，單純通過轉(zhuǎn)子串電阻電路不能滿足直流母線電壓在安全限值范圍以內(nèi)，需要配合直流側(cè)卸荷電路的投入來抑制直流母線過電壓。所提的故障穿越方法能夠滿足我國電網(wǎng)規(guī)范中提出的故障穿越要求，并且在故障期間具有相對較好的暫態(tài)特性，提高風(fēng)電機組并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，完成雙饋機組的故障穿越。

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