一种双馈风力发电系统低电压穿越控制策略

张 阳 黄科元 黄守道

（湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082）

0 引言

随着风电装机容量的迅速增加，并网风电机组的安全运行问题成为关注的焦点。风力发电系统的低电压穿越（Low Voltage Ride Though，LVRT）能力成为衡量风电系统稳定性的重要指标[1-5]。目前，对电网电压跌落故障下提高风电机组LVRT 能力的研究，已成为国内外风电技术研究的热点问题。

双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）是目前变速恒频风力发电机组的主流机型。在双馈风力发电系统的功率外环控制中，功率给定是一个关键参数，直接影响到最大风能追踪控制的效果。当前双馈风力发电机系统的功率给定方法是:首先测试出双馈风力发电机的相关参数，得出转速与功率的最佳关系曲线图，再根据该曲线图得到电机实时转速对应的功率给定量，最终实现双馈型风力发电系统功率闭环控制[2-8]。

这种确定双馈风力发电机输出有功功率给定值的方法，控制比较粗略。其原因是只有单一的功率闭环，而没有转速闭环，当转速波动较大时，系统速度和功率实时匹配的动态性能欠佳，并且抗冲击能力较差，系统稳定性较低[9,10]。

本文详细分析了DFIG 机侧变流器和网侧变流器控制方法，在原有的双馈风力发电机功率给定方法的基础上增加了转速闭环，提出了一种改进变换器控制策略和硬件保护相结合的低电压穿越控制方法，保护转子变换器，实现快速向电网提供无功支持、帮助电网电压恢复。该控制策略改善了转速与功率实时匹配的动态性能，提高了系统稳定性。DFIG 系统的总体框图如图1 所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 Diagram of the whole system

1 改进变换器控制策略

1.1 机侧变流器控制策略

传统的功率给定方法为，首先测试出双馈风力发电机的相关参数，做出转速与功率的最佳关系曲线模块，再将实测的电机机械角速度ωm作为输入量送入该模块中，经该模块查表后得到与ωm相对应的双馈型风力发电机输出有功功率Pg*，作为该模块的输出，即实现了双馈型风力发电机的功率给定。

图2 改进的功率给定方法控制框图Fig.2 Diagram of the improved given power control method

机侧变流器采用定子磁链定向的矢量控制方案，控制结构采用功率外环、电流内环的双闭环控制方式。由实测有功功率查表（最佳功率曲线表）得到最佳转速的参考值，转速参考值与反馈值构成转速外环，其输出作为电磁转矩的给定值。无功功率的实测值与反馈值构成功率环，其输出作为定子d 轴电流的给定值。内环为电流闭环，其作用是跟踪转速外环给出的电流有功分量的给定值以及电流无功分量（q 轴分量）的给定值。

电机的定子电压空间矢量方程为

稳态时pψs=0，由此可得

将式（3）代入式（2）得到

式中，isd、isq为未知量。

将式（4）改写成矩阵形式为

可求得

式中，usd、usq分别为定子电压的d、q 轴分量；isd、isq分别为定子电流的d、q 轴分量；ird、irq分别为转子电流的d、q 轴分量；Rs、Ls、Lm分别为电机定子电阻、定子电感、互感；ψsd、ψsq分别为定子磁链的d、q 轴分量；ω1为电网角频率。

所以转子电压前馈项 urd'、urq' 为

式中，Rr、Lr分别为电机转子电阻、电感；ω 为转子电角频率。

由于有功、无功两个功率外环是对称的，故两个外环参数完全相同。同样d、q 两个电流内环是对称的，故两内环的PI 参数也完全相同，其设置见表1。

表1 机侧变流器的PI 调节器参数Tab.1 The machine side converter PI regulator parameters

1.2 网侧变流器控制策略

网侧控制器采用电网电压定向的矢量控制方案，控制结构采用双闭环控制方式:外环为直流电压闭环，其输出作为电流有功分量（d 轴分量）的给定值。内环为电流闭环，其作用是跟踪电压外环给出的电流有功分量的给定值以及用户设定的电流无功分量（q 轴分量）的给定值。网侧控制器框图如图3 所示。

由于d、q 两个电流内环是对称的，故两内环的PI 参数完全相同，其设置见表2。

图3 网侧控制器框图Fig.3 Diagram of grid side controller

表2 网侧变流器的PI 调节器参数Tab.2 The grid side converter PI regulator parameters

2 Crowbar 保护电路

在低电压穿越时，转子电流会增大至数倍[11,12]，为了使流过转子侧的电流和直流母线电压在安全的范围之内，采取了转子Crowbar 保护电路和直流侧Crowbar 保护电路。这种保护电路控制简单，响应速度快，可靠性高，成本较低。

2.1 转子侧Crowbar 保护电路

如图4 所示，由三相二极管整流桥、IGBT 和泄放电阻构成的保护电路，其中三相整流桥与发电机转子相连，当转子三相电流超过1.5(pu)时，通过功率开关器件 IGBT 将泄放电阻连接到转子回路中，用泄放电阻来消耗掉转子的过电流，保护了转子侧变流器免遭过电流的损害。

图4 转子侧Crowbar 保护电路Fig.4 Diagram of machine side crowbar

泄放电阻的取值是关键，阻值应足够大以便迅速有效地削弱转子侧过电流，也要尽量小，避免直流侧过电压。当电网故障清除后，保护电路可以通过IGBT 的门极信号切除，机组恢复正常运行。

泄放电阻的阻值选取

根据上面公式计算出Crowbar 保护电路中的泄放电阻的取值范围，然后通过Simulink 仿真实验确定最优的泄放阻的阻值。

2.2 直流侧Crowbar 保护电路

如图5 所示，由IGBT 和泄放电阻构成的保护电路，通过泄放电阻来释放直流母线电容上的过电压能量，将直流电压限制在两侧变流器功率开关器件允许的范围之内。

图5 直流侧Crowbar 保护电路Fig.5 Diagram of DC side crowbar

当Udc超过设定的阀值，完全投入卸荷电路，为避免保护频繁动作，可采用带滞环的直流侧Crowbar 保护，动作阈值可以设定为下限为1 400V，上限为1 450V。即当直流母线电压超过1 450V 时，直流Crowbar 投入，低于1 400V 时自动切除。

3 实验结果与分析

本文所采用的双馈电机参数见表3。图6～图8分别为电压跌落器（VSG）取值为0.2、0.5、0.75时（即电压跌落至 0.2(pu)、0.5(pu)、0.75(pu)）主要参数波形。其中:①曲线为机侧正序电压波形的标幺值；②曲线为机侧有功功率波形；③曲线为机侧无功功率波形；④曲线为无功电流波形，电压跌落期间，系统全发无功功率，有功功率置零。电压恢复正常后，有功功率、无功功率、无功电流均能很快恢复到跌落前的状态。并网电压和动态无功电流见表4。

表3 电机参数Tab.3 Motor parameters

图7 DFIG—电压跌落至50%时主要参数波形Fig.7 DFIG—the waveforms of main parameters when voltage dip to 50 percents

图8 DFIG—电压跌落至75%时主要参数波形Fig.8 DFIG—the waveforms of main parameters when voltage dip to 75 percents

表4 并网点电压与动态无功电流的关系Tab.4 The relationship of grid side voltage and dynamic reactive current

以三相电压跌落50%深度的工况为例，得到图9 所示的仿真与实测数据对比。电压U、有功功率P、无功功率Q、无功电流Iq仿真数据与实测数据的差值在跌落前、跌落期间、跌落后均基本上保持在±1%。

图9 仿真与实测数据图形对比Fig.9 The comparison of simulation and measured data

4 结论

本文主要分析了电网故障时机侧变流器和网侧变流器的控制策略，在原有的双馈风力发电机功率给定方法的基础上增加了转速闭环，提出了一种改进变换器控制策略与Crowbar 硬件电路相结合的控制方式。实验结果证明，该控制策略改善了转速与功率实时匹配的动态性能，提高了系统稳定性。不仅能使电网故障时风电系统不脱网运行，同时实现了快速向电网供电，帮助电网恢复的功能。

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