双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略

李杰，赵鹏

（ 黄河水利职业技术学院 自动化工程系， 河南 开封 475004）

近年来，跟着风电机组在电网里所占比例的不断增多及双馈感应发电机在风力发电领域的广泛应用， 电网对双馈风电系统的并网要求越来越高，需要其具备故障穿越的能力[1-5]。 因此，对双馈风电系统高电压穿越节能控制策略的研究具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题[6-10]。

研究双馈风力发电系统高电压穿越的节能控制问题，因为外部风力环境变化较大，需保持变换器的稳定性节能控制。 传统节能控制方法不仅动态及稳态性能差，而且节能控制策略相对复杂[11-15]。

本文提出一种采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略，对串联网侧转换器的限制向电机定子侧及电网间增加正确的限制电压，按照电网电压定向的同步旋转，给出d-q轴系下SGSC的电压控制方程， 保持DFIG定子端电压不变，过滤DFIG定子磁链中的暂态直流分量。 当双馈风电系统电压及电流均不超限时，对转子侧变换器和并联网侧变换器的输出电压矢量进行节能控制，使双馈风电系统为电网提供最大程度的无功支持，迅速复原电网电压。 仿真测验效果证明，所提战略具备较高的节能限制功能。

1 电网电压骤升时双馈风系统(DFIG)机侧暂态过程分析

为了分析双馈风电系统的高电压穿越（high voltage ride-through，HVRT）特质，首先需对理想电网电压条件下DFIG的运行模型进行分析。将DFIG转子侧参数转换成定子侧， 同时依据电动机惯例，DFIG T型等效电路见图1。

图1 DFIG T型等效电路Fig. 1 DFIG T equivalent circuit

在理想电网下建立DFIG的暂态方程，其定子压方程和定子磁链方程可描述如下：

式中：Usm、θ分别描述定子电压幅值和相位。

通过图1可获取定、转子电压和磁链方程：

式中：us、ur分别用于描述定子、转子电压矢量；Rs、Rr分别用于描述定子、转子电阻；is、ir用于描述定子、转子电流矢量；ψs、ψr用于描述定子、转子磁链矢量；ωr用于描述转子角速度；Ls、Lr分别用于描述定子、转子电感；Lm用于描述定子转子的互感。

通过式（ 2）、式（ 3）获取转子电压方程：

式中：σ=1-L2m/（ LsLr）。

将式（ 1）代入式（ 4）中，获取静止坐标系中转子电压矢量：

式中：s=（ ω1-ωr）/ω1，用于描述DFIG转子转差率。

分析式（ 5）可以看出，在正确电网电压及稳定环境下，假如不解析定、转子电流的功能，那么转子电压幅值及DFIG运转转差率成正比。 为了便于分析，假设DFIG转子为开路，则通过式（ 2）、式（ 3）可获取：

假设电网电压在g=t0时刻出现高电压穿越故障，故障后电网电压幅值用Usm2进行描述，则通过式（ 1）可获取：

式中：τ=Ls/Rs用于描述定子时间常数。

不分析定子电流，当t≥t0时，将式（ 7）代入式（ 4）中，获取静止坐标系下电网电压穿越故障时DFIG转子上的感应电压：

利用坐标系的转换将其转换到转子速旋转坐标系，则有：

分析上式可知，当双馈风电系统出现高电压穿越故障时，在转子上的感应电动势主要包括以转差角频率sω1旋转的交流分量和以转子速角频率ωr旋转的交流分量。

因为外部风力环境变化较大，需保持变换器的稳定性节能控制，上述分析的节能控制方法不仅动态及稳态性能差， 而且节能控制策略相对复杂，为了提高节能控制效果，提出一种采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略。

2 采用串联网侧变换器（ SGSC）的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略

双馈风电系统高电压穿越时，对SGSC的输送电压矢量实行节能限制， 维持DFIG定子端电压不变，过滤DFIG定子磁链里的暂态直流分量，达到预防电磁转矩及输送功率波动的目标。 另一方面，当双馈风电系统电压及电流均不超限时，对转子侧转换器（ rotor sideconverter，RSC） 及 并 联 网 侧 转 换 器（ parallel grid side converter，PGSC）的输送电压矢量进行节能控制，使双馈风电系统为电网提供最大程度的无功支持，快速恢复电网电压。

2.1 SGSC的节能控制

当电网电压骤升时，SGSC把预防DFIG 定子端电压产生变化当作限制对象，维持电机定子电压矢量为高电压穿越故障前的电压矢量。 所以，需利用对串联网侧变换器的控制向电机定子侧及电网之间增加正确的限制电压，让发电机定子电压处在高电压穿越障碍的形态，也就是

式中：us用于描述非故障期间发电机定子端电压矢量；u′s用于描述障碍期间发电机定子端电压矢量。

双馈风电系统平常工作时，DFIG 定子端电压us是限定电压，在根据电网电压定向的正向一起旋转d-q轴系下，对SGSC实行限制，让高电压穿越障碍进程里定子电压矢量维持障碍前的形态不变。 障碍进程里定子电压矢量可表示为

式中：usd、usq分别用来表示正常运转进程里定子端电压矢量的d、q轴分量；、分别用来表示障碍期间电子端电压矢量的d、q轴分量；Vsm用来表示正常作事时定子电压矢量幅值。

根据电网电压定向的一起扭转，d-q 轴系下SGSC的电压限制方程可描述成：

式中：uscd、uscq分别用来表示以电网电压定向的正向同步扭转d-q轴系下SGSC限制电压的d、q轴分量；Kp1、τi1分别用于描述PI控制器的比例系数与积分时间常数。

2.2 RCS的节能控制

在对故障电网进行补偿时，GSC已输出部分无功电流，则DFIG定子侧输出的无功电流Isq需符合：

式中：IN用于描述DFIG额定电流。

依据DFIG定子侧输出无功功率方程可获取当前RCS无功电流：

式中：Ls、Lm分别用于描述DFIG定子电感与定转子间互感。

需注意，电网电压骤升时，在达到式（ 13）所需的条件下， 若RSC容量依旧存在盈余则还需进行有功功率节能控制，避免机组转速升高及双馈风电系统频率的震荡。 当前定子侧输出有功功率可通过下述过程进行调整。

为了使直流环节输入输出功率达到平衡，有：

考虑到工程设计中RSC容量通常会高于GSC，因此电压骤升时，RSC输出的有功功率Pr主要取决于当前GSC 所能输入的最大有功功率Pgmax。正转同步旋转坐标系下DFIG定子有功功率Ps可通过下式求出：

假设Us=Ug，则结合式（ 15）、式（ 16）可获取电压骤升期间RSC 允许通过的有功电流值：

为了保持不超过RSC的电流耐量Prmax，DFIG转子有功电流必须符合下述条件：

综合式（ 16）、式（ 17）即可获取HVRT期间RSC输出有功电流指令最大值：

式中：min{}用于描述取小值运算。

2.3 PGSC的节能控制

电网电压骤升时，网侧变换器依旧以稳定直流母线电压Udc作为节能控制目标， 因为发生障碍时PGSC所连电网电压的幅值增大， 为了达到PGSC的修改条件，PGSC需根据电网电压骤升的幅度汲取局部无功功率。在PGSC运用电网电压定向矢量节能限制形式同时不解析进线电阻Rg的情况下， 其稳态电压方程可描述成：

式中：Ug用于描述电网电压合成矢量的幅值；Lg用于表示PGSC的进线电感；Vgd和Vgd分别用来表示PGSC交流侧输送电压的d轴和q轴分量；Igd和Igq分别用来表示PGSC电流的d轴和q轴分量。

根据矢量调节理论， 当没有产生过调节时，调制比需符合下述条件：

结合式（ 20）、式（ 21）可获取：

在达到调节比条件一起可维持直流母线电压不变的要求下，PGSC所需的无功电流最小值Igqmin可描述成：

因为电网电压骤升时，PGSC无功输送重点和电网电压的骤升幅度相关，则HVRT 期间PGSC需从电网汲取的最小无功功率Qgmin可描述成：

双馈风电系统高电压穿越期间，PGSC的无功功率给定值可通过式（ 24）求出，保持故障期间直流母线电压值不变，为整个过程所有变流器的节能控制提供稳定的直流母线电压支持。

3 仿真实验分析

为了验证本文提出的采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略的有效性， 需要进行相关的实验分析。 实验在Matlab/Simulink中将表1描述的2 MW 双馈风电机系统参数为例进行仿真，同时将传统采用并网逆变器的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略作为对比进行实验。

图2 描述的是采用传统策略和本文策略系统侧变换器输出电压调制波比较结果， 图3描述的是采用2种不同策略时，系统侧变换器电流dq轴分量和直流母线电压比较结果， 从而得出2种策略的系统响应结果，上述2个实验均在电网电压骤升至1.08 pu，Requ=60 Ω的情况下进行。

图2 侧变换器输出电压调制波Fig. 2 Output voltage modulation wave at the side of converter

图3 侧变换器电流dq 轴分量和直流母线电压Fig. 3 dq axis component and dc bus voltage at the side converter current

分析图2、图3可以看出，虽然传统节能控制策略和本文节能控制策略下系统均可控，但采用本文节能控制策略能够大大降低输出电压，从而增加控制裕度，并且本文策略所提供的无功电流也有助于降低电网电压的骤升幅度。

4 结论

本文提出一种采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越的节能控制策略，对串联网侧转换器的限制向电机定子侧及电网间增加正确的限制电压，按照电网电压定向的同步旋转，给出d-q轴系下SGSC的电压控制方程， 保持DFIG定子端电压不变，过滤DFIG定子磁链中的暂态直流分量。 当双馈风电系统电压及电流均不超限时，对转子侧变换器和并联网侧变换器的输出电压矢量进行节能控制，使双馈风电系统为电网提供最大程度的无功支持，快速复原电网电压。 仿真测验结果证明，所提策略具备较高的节能限制功能。

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