基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略

陈鉴庆 邹旭东 梁宗泽 童 力 熊 威 朱东海

（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）武汉 430074）



基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略

陈鉴庆 邹旭东 梁宗泽 童 力 熊 威 朱东海

（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）武汉 430074）

摘要通过励磁控制实现双馈机组的低电压穿越（LVRT）是风力发电的热点问题之一。现有的改进励磁控制策略一般需要磁链的准确观测和相序的快速分离，不易实现，并且存在较大的转矩脉动。同时根据转子端口等效阻抗特性分析，提出了一种转子电流反向跟踪定子电流的电流跟踪控制策略。该策略将定子电流乘上适当系数后作为转子电流的指令值，其结构简单，而且理论上能消除电磁转矩脉动。仿真和实验结果表明，该策略能在深度故障下实现机组的LVRT可控运行，并能有效抑制转矩脉动，在超同步20%时，能实现电网电压对称跌落80%或单相全跌落的LVRT。

关键词：双馈风机 低电压穿越 深度故障 楞次定律

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB215100）和国家自然科学基金（51477064）资助项目。

0 引言

近年来，风能作为可再生能源的重要组成部分受到了广泛的关注[1]。据统计，截至2012年底，全世界风电装机容量占电力系统总能量的12%[2]。这一新能源的大量接入，使得电网对风电场的并网提出了更多的要求[3]。其中一个基本要求就是实现故障下的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），保证在一定故障下风机的不脱网运行[4-6]。

双馈式风力发电机（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是当今风能开发利用中的主流发电机类型[7,8]，其定子直接与电网相连，抗电网扰动能力相对较弱[9]。由于定、转子之间的强耦合，电网电压发生深度跌落时，转子侧会感应出较高的感应电动势，进而导致直流母线电压的飙升。而且，定、转子电流的大幅波动会造成电机转矩脉动，对主轴、齿轮箱等产生很大的扭转切应力冲击[10,11]。

现有的双馈风机低电压穿越方案可以分为改进励磁控制和增加硬件电路两种方式[12]。增加硬件较为常用的方法是在转子侧投入Crowbar电阻并封锁转子侧变流器[5,12]（Rotor Side Converter,RSC）。这种方法虽然能有效保护变流器，但Crowbar投入后的暂态过程中存在剧烈的转矩脉动[13,14]。

相比较而言，通过改进励磁控制实现LVRT无需增加硬件，而且在故障期间可对暂态分量进行控制，维持机组的可控运行。截止目前，国内外提出了各种LVRT励磁控制策略。文献[15]提出了灭磁控制，利用转子电流在漏感上产生的磁场去消除定子磁链的直流和负序分量对转子磁链的影响，能实现较深度故障下的LVRT，但其需要准确的磁链观测和相序分离，对电机参数依赖性较强，并且存在较大的转矩脉动。文献[16]在灭磁控制的基础上，结合虚拟阻抗的概念可降低转子电流需求，但仍存在和灭磁控制相同的缺点。文献[17]提出了磁链跟踪控制策略，利用转子磁链部分跟踪定子磁链来间接控制定、转子电流，能有效抑制转矩脉动，但必须同时对定、转子磁链进行准确观测，并且取消了转子电流闭环，故障前后存在明显的励磁策略切换，增加了系统的复杂性和控制难度。文献[18]提出转子电流直接同向跟踪定子电流的控制策略，实现了次同步运行时的80%深度故障下的LVRT，但超同步运行工况下，需要异常高的直流母线电压才能抑制过电流。

本文从转子变流器等效阻抗出发，通过对现有的典型控制策略的机侧变流器等效阻抗的分析，得出最有利于实现穿越的等效阻抗，并分析如何控制转子电流才能得到这一阻抗特性，进而分析利用有限变流器电压、电流容量实现深度故障下LVRT的根本要求。在此基础上，提出了一种转子电流反向成比例跟踪定子电流的励磁控制策略，该策略能有效抑制故障冲击电流，并且理论上电磁转矩恒等于零，因而能有效抑制转矩脉动。

1 机侧变流器等效阻抗分析

1.1 端口等效阻抗分析

忽略磁饱和等因素影响，理想条件下DFIG的等效模型如图1所示，定、转子参数分别在定、转子静止坐标系下表示，转子变流器等效为一个阻抗形式的负载。

图1　转子侧等效电路Fig.1 The equivalent circuit of the rotor side

图1中，上标“s”、“r”分别表示定、转子静止坐标系，上下标对应相同，因此在下文公式中均省略上标。ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；Us、分别为定、转子电压矢量；is、ir分别为定、转子电流矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；Lm、Lsσ和Lrσ分别为定、转子间互感和定、转子漏感；Zr为转子侧等效阻抗。

本文采用空间矢量的方法对电机各参数进行表示，按电动机惯例，定、转子静止坐标系下DFIG的磁链和电压方程分别为

式中，rω表示转子电角速度；Ls、Lr分别为定、转子绕组全自感。

根据磁链、电压方程式（1）、式（2），可推导出转子电流、电压的表达式，然后结合式（3）计算出转子端口的等效阻抗为

根据上述分析思路，下文对典型的控制策略的端口特性进行分析。根据图1所示的端口等效图和文献[15]中电机参数，取。典型控制策略的转子端口等效阻抗对比见表1，其中，取漏感，根据文献[15-17]中参数选取原则，kd＝0.6，，kT＝0.45。

表1　转子端口等效阻抗对比Tab.1 The equivalent impedance comparsison of the rotor part

由表1可知，上述控制策略在转子端口上呈现的等效阻抗值均为一个固定的值，并且阻性部分为负阻性，与转子电阻相互抵消。而感性部分，磁链跟踪和虚拟阻抗较为接近，文献[16,17]中的控制效果也相对较好。灭磁控制的感性部分较小，其电流相对大一些，而正向电流跟踪的感性部分为一个较大的负值，所以需要较高的直流母线电压才能得到这一阻抗特性。

1.2 基于楞次定律的转子电流需求分析

不难发现，上文所列举的控制策略在端口等效阻抗特性上有相似之处。

双馈电机定子磁链在定子短路时产生的暂态分量，经转子旋转切割产生较大的感应电动势。根据楞次定律，如果转子侧存在电流回路，其感应电流激励的磁场会阻碍磁通的变化，即转子电流激励的磁场与定子磁链变化的方向相反。根据式（1）定、转子电流共同维持磁链的约束条件，当转子电流与定子电流反向且略小于定子电流时，转子电流能够减小定子电流对定子磁链的影响，减小定子磁链中的暂态分量。控制定、转子电流间比例就相当于分别控制了定、转子电流。因此，对于矢量控制而言，在本文所示的参考方向下，当转子电流大小一定时，定、转子电流方向完全相反的情况下这种阻碍作用最为显著，此时感应电动势端口等效为纯感性负载。所以各种LVRT励磁控制都是顺从楞次定律的趋势，用一个等效的小阻抗提供感应电流通路。

在可控范围内，转子感应电动势可以近似认为不受转子电流的影响[19]。转子侧感应电动势只能作用在漏阻抗和变流器上，而变流器电压输出能力有限，不管如何控制都会产生电流，因而变流器呈现出一定的阻抗特性。关键在于找出合适的阻抗类型和大小，以及如何实现，使其电压、电流特性满足LVRT要求。设转子电流幅值不变，并忽略较小的转子电阻，转子端口电压随电流相角的变化如图2所示。结果表明，当转子端口等效为纯感性负载，即定、转子电流方向完全相反时，变流器输出电压需求最小，这是所有励磁控制在实现深度故障下的最根本要求。

图2　转子端口矢量图Fig.2 Vector diagram of rotor side

灭磁控制是提供大的电流通路去阻碍转子磁链的变化，而且本身的阻抗值也较小，所以能够限制转子侧的端口电压。而虚拟阻抗这种方式则是限制了电流的大小，限制了这种阻碍磁通变化的能力，转子磁链的直流分量产生的感应电动势增大，端口电压也随之增大。

从端口阻抗特性和楞次定律关于电流方向的角度去分析LVRT励磁控制策略的机理，可作为评判某种励磁控制策略是否可行的一个标准。

2 反向电流跟踪控制策略

基于对各种典型控制策略的总结，结合转子电流需求的分析，本文提出了一种基于定子电压定向的反向电流跟踪控制策略。

2.1 控制原理及参数选取

当检测到电网电压正序矢量的模长小于0.9倍的额定电压矢量模长时，即可认为电网电压发生了跌落故障，此时立刻以定子电流乘上一个跟踪系数k作为转子电流的指令值，在保留原有矢量控制转子电流闭环结构的基础上，其控制框图如图3所示。

相对于灭磁控制需要复杂的磁链观测和分离，该策略从正常控制到故障控制只需要改变转子电流内环的指令值，易于实现。该方法结合了正向电流跟踪结构简单和磁链跟踪效果显著的优点，其转子电流指令为

根据指令得到定、转子侧参数定子静止坐标系下的矢量图如图4所示。

图3　反向电流跟踪控制框图Fig.3 The control block of proposed method

图4　定、转子物理量矢量图Fig.4 Vector diagram of both sides

将式（4）代入式（1）、式（2）中，得到转子电压的表达式为

那么，s域下的转子端口等效阻抗为

根据表1总结的转子端口等效阻抗可知，感性部分略小于漏感值。故可得k的取值约为

式（6）中的负阻性部分和转子电阻Rr抵消，从定子侧看，转子侧相当于一个纯感性的负载。原本的二阶系统变成了一个一阶系统，根据一阶系统的响应公式求得定子磁链的暂态表达式为

根据对称空间矢量的概念，且DFIG中性点通常不接地，所以忽略零序分量。故障发生时刻，定子电压矢量由正、负序分量组成，对称跌落是负序分量为零的工况。

定子磁链的稳态分量为

式中

为了简化分析，公式推导都是基于转子实际电流能够完全跟上指令值的基本假设，得到定子电流的表达式为

式中，定子电流的稳态分量为

将式（12）代入式（1）和式（2）中，计算得到转子电压、电流的表达式为

式中，1ω表示定子电角速度；isu＋、isu-分别表示定子电流稳态正、负序分量。结合不同系统的参数和电压、电流的极限值，即可根据式（15）得到k值的取值范围。

式中，ir（pu）表示转子电流标幺值；Udc、Urline分别为直流母线电压，转子线电压。

2.2 转矩脉动分析

消除转矩脉动是LVRT的重要目标之一，电磁转矩在同步旋转坐标系下，恒功率变换得到的表达式为

式中，np表示极对数。把式（4）转换到同步旋转坐标系下，得到

将式（17）代入到式（16）中可得

只要定、转子电流之间存在一个常系数关系，电磁转矩都为零，转矩脉动必然也为零。所以从电磁转矩的角度来说，控制策略如果符合式（4），即可避免对电机的机械应力冲击。本文提出的控制策略符合式（17）所示的条件，理论上可以消除转矩脉动。

3 仿真研究

3.1 参数选取仿真

本文在Matlab/Simulink中，以一台1.5MW风机为例进行了仿真，模型参数见表2。

表2　仿真参数Tab.2 Parameters of simulation

电网电压跌落时刻转子电流矢量的初始位置不确定，所以最坏的情况就是转子电流矢量的峰值出现在某一相的线电流上，此时线电流达到最大值，也就是最严重的情况，因此取转子电流矢量模长的峰值作为是否过电流的标准。

根据式（12）、式（14）的电压、电流表达式，在转子电流可控的条件下，得到转子端口电压、电流峰值关于k的变化曲线如图5所示。

图5　k取值对电压、电流峰值的影响（对称跌落70%）Fig.5 Influence of k on the voltage and current（70% failure）

图5中纵坐标取过电压、过电流极限值为基准。在保证可控和电流极限范围内，k的取值范围为0.892～0.926。仿真中取k ＝0.9，故障发生前风机以额定功率输出，在0.2s时刻发生故障。此时端口的等效阻抗

仿真和公式计算得到的波形对比如图6所示。风机在0.1s并网并以额定功率为控制目标输出，在0.2s发生跌落故障并持续到0.5s。

图6　定子磁链和转子电压、电流的仿真和计算结果Fig.6 Comparison of simulation and calculation

转子电流指令的突变，导致在一段时间内转子电压限幅输出，故转子电压波形在故障后第一个波峰附近存在较大的偏差，导致转子电流在一段时间内较快上升。转子电流的第一个波峰和相位都存在偏差，但波形基本相符，可作为参数选取的依据。

3.2 故障跌落仿真

在三相对称跌落70%和单相跌落90%的工况下，分别以反向电流跟踪和灭磁控制为例进行了对比仿真，仿真结果如图7和图8所示。在0.1s时刻风机以额定功率为功率指令正常工作，在0.2s时刻电网发生跌落故障。

对称故障下，反向电流跟踪和灭磁控制的转子电流都被抑制在2（pu）以内，反向电流跟踪的衰减速率相对较快。但是从图6反向电流转子电流矢量波形可知，矢量峰值略微超过了最大允许电流值，只是仿真中所取的故障时刻并非最严重的情况。灭磁控制的电压需求较小，但需要较大的转子电流去消除定子磁链的直流分量。两种方案的转子电压、电流波形在峰值和衰减过程差异不是非常显著，但是电磁转矩脉动差异较大。理论上，反向电流跟踪不存在转矩脉动，而灭磁控制的定子电流中存在正序分量，转子电流中不存在正序分量，根据式（16）的表达式，电磁转矩必然存在工频脉动。两种方法都会从电网吸收无功功率，这和等效阻抗为感性的分析结果一致，因此需要考虑何时改变控制目标，转而为电网提供无功支撑。

图7　三相对称跌落70%Fig.7 Three-phase syrnmetrical drop to 30%

图8　单相跌落90%Fig.8 One-phase drop to 10%

不对称故障下，两种方法的转子电流峰值都在2（pu）的限制范围以内。由于灭磁控制的转子电流中没有正序分量，正序等效电路的机侧变流器相当于开路，因此需要更高的转子电压去抑制正序电流。灭磁控制的电流波形衰减更为显著，这是由于灭磁控制转子电流中没有正序分量，直流分量所占的比重较大，转子电流随着直流分量的衰减而衰减。而反向电流跟踪控制中含有较大的正序分量，直流分量的衰减对整个转子电流的衰减影响不显著。由于单相跌落故障的正序分量较大，灭磁控制存在比对称跌落时更显著的转矩脉动，而反向电流跟踪基本没有转矩脉动。由于负序分量的存在，有功、无功的脉动更加显著。

针对k的取值对控制效果的影响，分别取k为0.86和0.93进行了一组对比仿真，如图9所示。

图9　不同k值下转子电压、电流对比（对称跌落70%）Fig.9 The comparison of voltge and current with diffenent k（symmetrical drop to 30%）

仿真结果表明，对于电流峰值而言，在一定范围内，k的取值对其影响不大。原因是在故障后的一小段时间内，变流器电压输出能力有限，指令值在一定范围内的大小对其影响较小，完全靠变流器自身的容量限制过电流。而在可控范围内，k值对电压、电流的影响较为显著。k值越大，则转子电流越大，转子电压越小，吸收无功功率越大，这和端口阻抗特性分析结果一致。

对比式（19）和表1端口等效阻抗，本文的方法和灭磁控制、磁链跟踪没有物理本质的区别，参数取值也比较接近，但控制方法简单，容易实现，不需要复杂的磁链观测，并且可以很好地消除转矩脉动。而和正向电流跟踪控制相比，虽然控制方法类似，但正向电流跟踪需要很高的母线电压来抑制电流，只能实现跌落深度较浅的故障。反向电流跟踪结合了这些控制策略的优点，物理意义清晰，结构简单，在一定跌落深度内能够实现低电压穿越。

4 实验研究

本文在现有实验平台上对反向电流跟踪控制策略进行了实验验证。实验平台结构如图10所示。双馈发电机由一台笼型异步电动机拖动，变流器机侧和网侧分别由两块DSP（TMS320F28335）独立控制。

实验平台的主要参数见表3。

图10　双馈式风力发电示范系统Fig.10 Demonstration wind power generation system of DFIG

表3　实验平台参数Tab.3 Experimental platform parameters

在实验平台上分别做了对称跌落80%和单相全跌落实验。故障发生前，DFIG以1（pu）有功功率和0（pu）无功功率稳定输出。原动机设置为定转速控制，转差率为-0.2。由于实验电机的漏感相对较大，k应该比仿真中小，设为0.8。

从图11中的实验波形可得，在对称跌落80%和单相全跌落故障下，转子三相电流峰值被抑制在了2（pu）之内，并且其矢量的模长也在2（pu）之内。定子电流也很快衰减，并趋于稳定。转子电压中存在转速频率的电压分量用以控制转子电流的直流分量。对称故障下，电磁转矩的波形在故障后的两到三个工频周期内已经基本为零；单相跌落故障下，由于负序分量的控制难度较大，转矩仍然存在小的脉动。各个分量的波形衰减速度都比仿真中快，这是由于实验平台设备的电阻值相对较大。

图11　实验波形Fig.11 Experimental waveforms

在常规参数下，改进励磁几乎不可能实现零电压穿越，只有把电阻和漏感取大，或提高直流电压，才能实现零电压穿越。

5 结论

本文归纳了现有的励磁控制策略在转子端口等效阻抗特性上的共同特性，并基于对楞次定律的理解，结合双馈电机短路故障暂态过程的分析，从故障下变流器提供感应电流通路的角度对励磁控制的物理意义进行了分析和总结。分析结果表明，典型的LVRT励磁控制策略都是顺应楞次定律的趋势为转子电流提供一个一定阻抗的通路，并且当等效阻抗为纯感性时，即定、转子电流方向完全相反时，控制效果最好。该分析方法可以作为评判某种控制策略是否可行的一个标准。

进而本文提出了一种转子电流指令反向跟踪定子电流的控制策略，并分析了该策略的物理意义及相对于其他控制策略的优点。通过对暂态过程的分析，得出了关键参数k的选取原则，并进行了仿真和实验验证，其结果均表明了该控制策略的有效性。

该控制策略具有以下的优点：①原理清晰，无需磁链观测，容易实现。②保留正常控制的转子电流闭环，结构简单。③能够有效抑制转矩脉动。

在深度故障发生后的一段时间内，励磁控制都需要从电网吸收无功功率才能保持不脱网运行，二者存在不可调和的矛盾。

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陈鉴庆 男，1990年生，硕士研究生，主要研究方向为双馈风力发电系统故障穿越及其变流器控制。

E-mail:773651696@qq.com（通信作者）

邹旭东 男，1974年生，博士，副教授，主要研究方向为电能存储与变换、新能源发电、电力电子与电力传动技术在电力系统中的应用等。

E-mail:xdzou@mail.hust.edu.cn

An Improved Control Strategy of Doubly-Fed Wind Turbine under Voltage Dips Based on Reverse Current Tracking

Chen Jianqing Zou Xudong Liang Zongze Tong Li Xiong Wei Zhu Donghai
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

AbstractThe low voltage ride through（LVRT）of doubly-fed induction generator（DFIG）via excitation control during severe faults is one of the highlights in wind energy conversion system（WECS）.In current most control strategies need accurate observation and fast sequence separation of flux,and will lead to the torque pulsation.After summarizing the common characteristics of various efficient low voltage ride-through control strategies on the port from the perspective of physics principle,a reverse current tracking control strategy is then proposed in this paper.The stator current multiplied by a certain coefficient is set as the reference of rotor current during the faults,which is simple in structure and can restrain the torque pulsation effectively.Case study verifies the effectiveness of the improved method.It is shown that using the proposed method,at 20% over-synchronous speed,the DFIG can achieve LVRT under 80% symmetrical fault or 100% single phase fault.

Keywords：Doubly-fed induction generator,low voltage ride through,evere faults,Lenz law

作者简介

收稿日期2013-11-18 改稿日期 2014-01-02

中图分类号：TM712；TM614