雙饋風(fēng)電機(jī)組去磁控制策略研究

毛劍波 吳國(guó)祥

摘 要： 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)影響巨大，低電壓穿越（LVRT）能力成為全球電網(wǎng)公司針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)制定的硬性指標(biāo)。根據(jù)該指標(biāo)對(duì)對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障工況下雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIG）電磁瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行深入分析，研究一種基于去磁控制機(jī)理的低電壓穿越控制策略。在轉(zhuǎn)子側(cè)注入與定子自由磁鏈方向相反的去磁電流，能有效抑制磁鏈過(guò)渡分量、減小轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、提升DFIG低電壓穿越能力。利用Matlab/Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真，結(jié)果證明該控制策略能扼制瞬態(tài)電壓沖擊，協(xié)助系統(tǒng)迅速恢復(fù)，且控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性高。

關(guān)鍵詞： 低電壓穿越； 對(duì)稱(chēng)故障； 雙饋感應(yīng)電機(jī)； 電磁瞬態(tài)過(guò)程； 去磁控制； 系統(tǒng)恢復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN03?34； TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0102?05

Abstract： Since the large?scale wind power integration has a great influence on the electric power system， the ability of low voltage ride through （LVRT） becomes an obligatory index of global grid corporations for wind power integration. According to the index， the electromagnetic transient process of the doubly?fed induction generator （DFIG） under the condition of symmetrical grid fault is analyzed deeply， and an LVRT control strategy based on demagnetization control mechanism is studied. The demagnetization current opposite to the stator freedom flux linkage direction is injected into the rotor side to effectively restrain the transient component of the flux linkage， decrease the induced electromotive force of the rotor， and improve the LVRT ability of DFIG. The strategy is simulated with Matlab/Simulink. The simulation results demonstrate that the control strategy can suppress the transient voltage surge， assist the system recovery rapidly， and has simple structure and high flexibility.

Keywords： low voltage ride through； symmetrical grid fault； DFIG； electromagnetic transient process； demagnetization control； system recovery

0 引 言

風(fēng)能清潔環(huán)保、發(fā)展前景優(yōu)良，是開(kāi)發(fā)最具規(guī)模的新型能源之一。隨著風(fēng)電滲透率的不斷攀升，機(jī)組與電網(wǎng)的互擾問(wèn)題[1]備受矚目。為避免電網(wǎng)故障導(dǎo)致機(jī)組大范圍脫網(wǎng)，新的并網(wǎng)技術(shù)規(guī)程明確提出電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)機(jī)必須具備低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力[2?3]。現(xiàn)已大量投產(chǎn)使用的雙饋感應(yīng)電機(jī)（Doubly?fed Induction Generator，DFIG）定子與電網(wǎng)直接相連，易受電網(wǎng)波動(dòng)干擾。當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓驟降時(shí)，定子磁鏈不能突變，定子側(cè)將產(chǎn)生暫態(tài)直流磁鏈，不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)還包含負(fù)序磁鏈，在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較高電動(dòng)勢(shì)。由于勵(lì)磁換流器容量?jī)H為額定容量的[13]左右，電網(wǎng)故障時(shí)極易引起轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)超出換流器最大可控電壓，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生過(guò)壓過(guò)流現(xiàn)象，無(wú)法保障機(jī)組安全。

文獻(xiàn)[4]中的傳統(tǒng)矢量控制策略顯然無(wú)法滿足電網(wǎng)故障下DFIG低電壓運(yùn)行控制要求，針對(duì)LVRT問(wèn)題進(jìn)行深入研究很有必要。目前，相關(guān)學(xué)者提出的LVRT解決辦法基本可歸為兩類(lèi)：優(yōu)化控制算法和外拓硬件設(shè)備[5]。前者主要依賴(lài)勵(lì)磁變換器的軟件控制，具備一定靈活性，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)電壓跌落故障程度較輕的狀況，常見(jiàn)方法有改善傳統(tǒng)矢量模型[6]、磁鏈追蹤控制[7]等；后者對(duì)原有硬件結(jié)構(gòu)加以改造，適用于電網(wǎng)電壓大幅降落的狀況，較為普遍的方式是增加crowbar保護(hù)電路[1，8]，但crowbar電路的投切時(shí)間與crowbar阻值的選取難以確定。為了避免crowbar使能過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致電機(jī)從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功影響電網(wǎng)恢復(fù)與穩(wěn)定，文獻(xiàn)[9]對(duì)原始crowbar結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，在電阻旁串接了一個(gè)電容，限流能力提升，功率外特性改善，但電容如何選取仍需探討。為提高控制的可靠性，又有學(xué)者提出了轉(zhuǎn)子crowbar和直接轉(zhuǎn)矩控制配合[10]、轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar和直流側(cè)卸荷電路[11]等組合控制方案。

本文在對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障時(shí)引起的電磁瞬態(tài)過(guò)程分析基礎(chǔ)之上，研究了一種去磁控制策略。向轉(zhuǎn)子側(cè)注入與定子自由磁鏈?zhǔn)噶肯喾吹娜ゴ烹娏鳎梢缘窒踔料ㄗ铀矐B(tài)直流磁鏈，避免轉(zhuǎn)子感生電動(dòng)勢(shì)過(guò)高影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。利用仿真軟件進(jìn)行研究，結(jié)果表明該控制策略可提升DFIG故障穿越能力、加快系統(tǒng)瞬態(tài)反應(yīng)進(jìn)程。

1 DFIG數(shù)學(xué)模型

式中：第一項(xiàng)為轉(zhuǎn)子開(kāi)路條件下求得的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[erg]，由定子磁鏈產(chǎn)生；后一項(xiàng)為轉(zhuǎn)子側(cè)阻抗壓降，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子電流受轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)共同影響，由于轉(zhuǎn)子側(cè)阻抗壓降較小，分析時(shí)可以忽略[12]，轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相近，前者略大于后者。

根據(jù)式（4）可畫(huà)出轉(zhuǎn)子軸系下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路，如圖1所示。

2 DFIG動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

綜合式（17），式（18）分析可知，電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱(chēng)跌落故障時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)差率[s]和故障后電網(wǎng)電壓幅值[Ud]相關(guān)。考慮到DFIG轉(zhuǎn)差率[s]在[±0.3]以內(nèi)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)制分量較小，若電網(wǎng)電壓發(fā)生深度跌落故障、DFIG處在同步或超同步狀態(tài)下時(shí)，在轉(zhuǎn)子側(cè)將感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)自由分量，如果該值超出RSC最大電壓限值，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)壓過(guò)流，嚴(yán)重情況下威脅變流器安全。[Ud=0]時(shí)，表示電網(wǎng)電壓發(fā)生了較嚴(yán)重的完全跌落故障。由于磁鏈的連續(xù)性，故障發(fā)生后依然產(chǎn)生表征直流暫態(tài)特性的自由磁鏈分量，但無(wú)強(qiáng)制分量。由式（16）得電壓完全跌落后的定子磁鏈：

該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于[（1-s）Us]，幅值較高，是穩(wěn)態(tài)情況下的數(shù)倍。受RSC容量限制，此時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)易超出RSC電壓能控區(qū)域，會(huì)削弱RSC限流能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 低電壓穿越控制策略

由上文分析可知導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)壓過(guò)流的直接因素是電網(wǎng)故障時(shí)產(chǎn)生的表征暫態(tài)直流特性的定子自由磁鏈，因而可通過(guò)注入與其反相位的轉(zhuǎn)子電流[irZ]在瞬態(tài)電感上產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行抑制，以增強(qiáng)機(jī)組暫態(tài)不脫網(wǎng)運(yùn)行能力。

整體控制框圖如圖4所示。總參考電流包含兩個(gè)部分：第一部分為功率外環(huán)所得電流；第二部分為去磁電流。本方案僅在原矢量控制結(jié)構(gòu)上增加了去磁電流模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該控制策略理論上能有效改善電壓跌落時(shí)DFIG電磁暫態(tài)特性，加速系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，提升電機(jī)故障穿越能力。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所研究控制方法的正確性，在Matlab/Simulink平臺(tái)下建立雙饋風(fēng)電系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究，DFIG參數(shù)如表1所示。

圖5為電網(wǎng)電壓發(fā)生完全跌落故障時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仿真波形，跌落時(shí)刻設(shè)定在[t=]1.2 s。其中：圖5a）顯示電網(wǎng)電壓跌落情況；圖5b）為傳統(tǒng)矢量控制下的仿真結(jié)果；圖5c）為去磁控制下的仿真結(jié)果。

故障前，圖5b），圖5c）顯示的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)態(tài)值均為98.91 V。故障發(fā)生后，圖5b）中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驟增至-394.17 V和386.46 V，是正常情況下的3.9倍以上，而圖5c）中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驟增至-149.97 V和184.35 V，僅為正常情況下的1.51倍和1.86倍左右。可見(jiàn)注入去磁電流后，有效減小了轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，緩解了轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電壓沖擊。圖5b）中轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在1.375 s時(shí)衰減至穩(wěn)態(tài)值以內(nèi)，而圖5c）中顯示為1.29 s，去磁控制下系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)程明顯加快，利于系統(tǒng)恢復(fù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)跌落激起的DFIG電磁暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，研究一種去磁控制策略。電網(wǎng)故障瞬間，在轉(zhuǎn)子回路中注入與定子自由磁鏈反方向的電流。該電流在瞬態(tài)電感上形成的漏磁場(chǎng)對(duì)磁鏈過(guò)渡分量起到抑制作用，能緩解轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電壓沖擊，提升電機(jī)故障穿越能力，加快暫態(tài)量的衰減過(guò)程。通過(guò)仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和正確性。

注：本文通訊作者為吳國(guó)祥。

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