新颖的双馈式风力发电机低电压穿越控制策略

高仕红

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)



新颖的双馈式风力发电机低电压穿越控制策略

高仕红

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

摘要：针对现有文献中双馈风力发电机组低电压穿越控制策略存在的缺陷，提出一种新颖的低电压穿越控制策略.在电网故障期间，利用双滞环电流控制器快速的瞬态响应速度和对系统参数变化的不敏感性来抑制转子电路的过电流；在dc-link上采用crowbar技术，吸收转子侧多余能量，防止直流母线电压过高.在Mtalab/Simu1ink平台中构建了所提出的低电压穿越控制策略的动态仿真模型，研究了三种典型电网故障下的低电压穿越性能，验证了所提出的低电压穿越策略的可行性.仿真结果表明所提出的低电压穿越策略抑制了转子绕组的过电流和dc-link的电容过电压，改善了双馈式风力发电机的低电压穿越性能.

关键词：双馈感应发电机;低电压穿越;双滞环电流控制器;crowbar

随着风电产业的快速增长，大量风电并入电网，对传统电网的安全与稳定运行带来诸多问题，其中最主要的问题是风电机组的低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)问题.就目前风电机组的应用情况来说，MW级功率的风力发电机组主要是双馈感应风力发电机组，其被广泛应用于各大型风电场中.原因在于双馈式感应发电机(double-fed induction generator，DFIG)较其它风电机组具有突出的优点，如调速范围宽、有功和无功功率独立可调以及变换器所需容量较小等.但双馈感应风力发电机的定子绕组直接与电网相联，并且通过其转子侧小容量的变换器来控制有功和无功功率的调节.因此，双馈风力发电机组的这种结构导致其对电网故障引起的机端电压跌落非常地敏感[1].由电网故障引起的DFIG机端电压跌落将导致其转子绕组的过电流，以及dc-link直流桥上电容的过电压[2-3].如不采取适当的限制措施来抑制转子绕组的过电流和电容的过电压，其中转子绕组的过电流产生的热效应将损坏转子侧变换器(rotor-side converter，RSC)以及dc-link的过电压将导致直流母线上电容的绝缘击穿.对此问题许多专家学者进行了大量的理论和仿真实验研究，即如何改善双馈风力发电机组的低电压穿越性能.主要研究工作大致归纳为如下：①在DFIG转子绕组端或dc-link桥上采取适当的硬件措施，如添加crowbar撬棒电路[4-5].此方法对电网的对称故障较为有效，但对严重的电网不对称故障，满足不了电网的低电压穿越需求；②在DFIG定子侧或转子侧增添额外的硬件[6-7]，如添加变换器或动态电阻器.此方法虽对适用于电网的各种故障类型，但其以增加DFIG系统的硬件成本为代价，并且增加了系统控制的复杂性；③改进的控制策略[8-9]，如定子磁链去磁法.此方法受到了国内外学者的推崇，在电网故障期间，系统的瞬态控制性能变差，满足不了电网公司规定的低电压穿越需求.

针对上述双馈风力发电机组低电压穿越控制策略存在的缺陷，在此提出一种新颖的双馈感应风力发电机组低电压穿越控制策略.其控制策略思想是：为解决传统PI电流调节器瞬态响应速度慢和控制带宽窄的问题，软件上采用瞬态性能优良的双滞环电流控制器(Double hysteresis current controller，DHCC)来取代PI电流调节器，利用其非常快的瞬态响应速度和对系统参数变化的不敏感性来抑制电网故障期间DFIG转子绕组的过电流.为解决dc-link直流母线上的过电压，硬件上采用直流母线crowbar技术吸收转子侧多余能量，抑制直流母线上电容的过电压，防止电容绝缘击穿.

1d-q坐标系下DFIG的数学模型

双馈风力发电机的各类数学模型已在大量的文献中被详细介绍,在此仅简要介绍用于本文研究的数学模型.若DFIG各物理量的参考正向采用电动机惯例，在d-q参考坐标系下DFIG定、转子绕组电压及磁链矢量的动态方程为[1,6]：

(1)

(2)

式中：v，i，ψ为DFIG定子和转子的电压、电流和磁链矢量；R,L为电阻和电感参数；上标d，q表示d-q参考坐标系下的参数；下标s，r，m表示DFIG定、转子绕组及激磁参数；ω1为d-q坐标系的旋转电角速度；ωr为DFIG转子的电角速度.

(3)

若DFIG转子侧变换器RSC采用定子磁链定向的矢量控制技术，在忽略DFIG定子绕组电阻Rs的前提下，由式(1)和式(2)可知，DFIG送入电网的有功和无功功率为：

(4)

2RSC的控制器设计

2.1PI控制器

(5)

若DFIG转子侧变换器的电流内环采用PI控制器，由(5)式可得PI控制器的控制规律：

(6)

式中kp,ki为PI控制器的比例和积分增益.下标ref表示DFIG转子电流的设定值.

图1　PI控制策略的原理Fig1　Principle of PI control strategy

图2　RSC输出的电压矢量及参考电压区间Fig.2　Output voltage vectors of RSC and interval of reference voltage

SaSbScvrvravrbvrc000v0000100v12/3-1/3-1/3110v21/31/3-2/3010v3-1/32/3-1/3011v4-2/31/31/3001v5-1/3-1/32/3101v61/3-2/31/3111v7000

双馈感应风力发电机组转子侧变换器的电流内环控制通常采用定子磁链定向的矢量控制技术，在PI控制策略下其原理如图1所示.

2.2双滞环电流控制器的原理

滞环电流控制器虽然存在开关频率不稳定现象，但在工程上应用很广泛.滞环电流控制器最初主要用于抑制电网谐波的有源电力滤波器中[10-12].其具有的主要优越性能如下：瞬态响应速度快、硬件电路实施简单以及对系统参数变化引起的性能恶化具有较强的鲁棒性等.

为方便分析所提出的双滞环电流控制器的工作原理，在此引入表示RSC开关状态的开关函数Sa,Sb,Sc.由分析可知，转子侧变流器共有8种开关切换状态[12-13].转子侧变流器输出的各相电压取决于其三相桥臂的总体状态SaSbSc，其开关状态及对应的输出电压如表1所示(以Vdc为基准).

为消除三相电压空间矢量在abc坐标系下的相间影响，在此引入坐标变换，把abc坐标系下的转子电压变换到静止正交的α-β坐标系下，取α轴与a相绕组轴线重合，由表1可得双馈感应风力发电机组RSC输出的电压矢量：

(7)

考虑RSC所有开关的状态组合，根据式(7)可得DFIG转子侧变换器输出的8个离散空间电压矢量：

(8)

根据式(8)可得DFIG转子侧变换器输出的8个电压矢量及参考电压区间的分布，其如图2所示.

若把d-q同步旋转参考坐标系下的转子电压变换到转子参考坐标系下，由式(3)可得在转子参考坐标下双馈感应风力发电机组转子侧变换器的输出电压：

(9)

(10)

一般双馈感应风力发电机组转子绕组的电阻很小，为了分析简单起见，通常忽略转子绕组的电阻，式(10)可简化为:

(11)

(12)

图3　双滞环电流控制器的实施Fig.3　Implementation of double hysteresis current controller

图4　低电压穿越控制策略的实施Fig.4　Implementation of Low voltage through control strategy

DaoDboDcoDaiDbiDci000001010011100101110111区间100v7v7v7v7v1v6v2v7Ⅰ110v0v0v3v0v1v0v2v0Ⅱ010v7v7v3v4v7v7v2v7Ⅲ011v0v5v3v4v0v0v0v0Ⅳ001v7v5v7v4v7v6v7v7Ⅴ101v0v5v0v0v1v6v0v0Ⅵ

表3　双馈风力发电机参数

3所提出的低电压穿越控制策略

3.1低电压穿越控制策略实施

所提出的双馈感应风力发电机组低电压穿越控制策略是：当电网发生短路故障时，其将会导致双馈感应风力发电机组的机端电压电压跌落，此时利用双滞环电流控制器非常快的瞬态响应速度和对外部扰动具有强的鲁棒性来抑制双馈感应风力发电机组转子绕组的过电流，以达到保护转子侧变换器的目的.同时，电网短路故障造成的转子侧过剩能量将导致DC-link电容电压的升高，当电容电压超过其设计限值Vdc_lim时，激活DC-link侧的crowbar，吸收转子侧多余能量，防止直流母线电压过高，保护DC-link母线上电容器的安全.为了限制crowbar被频繁激活，设其作用时间为20ms.因此，所提出的低电压穿越控制策略实施框图如图4所示.

3.2低电压穿越控制策略仿真实验研究

为了验证所提出的控制策略对双馈风力发电机组低电压穿越性能改善的有效性，在Matlab/Simulink仿真平台中构建了所提出的低电压穿越控制策略的动态仿真模型，其中额定功率为2MW的商用双馈风力发电机组被采用，其主要参数如表3所示.

设电网故障导致机端电压跌落前双馈感应风力发电机组以功率因数cosφ=0.9额定运行在超同步状态，即DFIG转子的转差为-0.2.为评估所提出的控制策略在机端电压深度跌落时对DFIG低电压穿越性能的改善，在此仅对三种典型电网故障类型(即三相对称短路；b、c相间故障；a相接地故障)进行了仿真实验研究.设t=0.2s时电网故障发生，其导致DFIG机端电压突然跌落，电网故障持续时间被设为100ms.DFIG的定子电压vsabc、转子故障电流irabc、dc-link直流电压Vdc的波形分别如图5(a)、(b)、(c)所示.

图5　本文提出的控制策略下机端电压跌落0.8 p.u.时的irabc，Udc，icrowbar和Singal：(a)对称跌落；(b)相间故障(b、c相)；(c)一相跌落(a相)Fig.5　irabe,Ude,icrowber and Crowbar signal fof o.sp.u.terminal Voltagedip under the control strategy of this paper

在允许转子侧变换器RSC过调制运行条件下，dc-link的安全限制电压一般设定为1.3p.u.(以dc-link额定电压为基值)，DFIG转子绕组允许的安全限制电流一般设定为2p.u.(以转子绕组额定电流为基值)[7].由图5(a)、(b)、(c)可知，对常见的三种电网故障，当机端电压跌落0.8p.u.时，所提出的低电压控制策略能使DFIG很好地满足电网要求的低电压穿越要求.在机端电压跌落至电压恢复期间，对称跌落时转子电流的冲击幅值为1.92p.u.；b、c相间故障时转子电流的冲击幅值为1.6p.u.；a相接地故障时转子电流的冲击幅值为1.4p.u.,这三种情况下转子电流的冲击幅值均小于其安全限制值.同时，由图5还可看出只在机端电压对称跌落时dc-linkcrowbar被激活，并且只在电压跌落阶段激活一次.

4结论

针对目前文献中双馈式风力发电机低电压穿越控制策略的缺陷，为提高双馈异步风力发电机的低电压穿越能力，提出一种新颖的低电压穿越控制策略.软件上采用双滞环电流控制技术来控制DFIG转子侧的变换器，利用其非常快的瞬态响应速度和对系统参数变化的不敏感性来克服PI电流调节器瞬态响应速度慢和控制带宽窄的缺陷，抑制了DFIG转子绕组的过电流，达到保护转子侧变换器的目的.硬件上采用dc-linkCrowbar技术吸收转子侧的过剩能量，防止直流母线电容电压的升高，保证dc-link母线上电容的绝缘安全.为验证所提出的低电压穿越控制策略的有效性，对机端电压跌落(由电网对称和不对称短路故障引起)的三种典型情况进行了一系列的仿真实验研究.由图5(a)、(b)和(c)可看出，所提出的低电压穿越控制策略对DFIG转子绕组中的过电流和Dc-link直流母线上的电容过电压具有很好的抑制作用，保证它们在各自的设计安全限值之下.因此，所提出的低电压穿越策略大大改善了DFIG的低电压穿越性能.

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责任编辑：时凌

Novel Control Strategy for Low Voltage Ride-through of Doubly-fed Wind Power Generator

GAO Shihong

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

Abstract：Aiming at the defects of LVRT control strategies of doubly-fed wind power generator in the current literatures，a novel LVRT control strategy is proposed.During the grid fault，the rotor overcurrent is suppressed by using the DHCC which has the fast transient response speed and the insensitivity to parameter variations.And the dc-link voltage is restrained by means of the crowbar technology which absorbs the excess energy and protects the overvoltage of dc-link bus.The dynamic simulation model based on the proposed LVRT control strategy is structured in Mtalab/Simu1ink platform.The LVRT performances of doubly-fed wind power generator under three kinds of typical grid fault are investigated，and the feasibility of the proposed LVRT control strategy is verified.The simulation results show that the proposed LVRT control strategy suppresses the overcurrent of rotor windings and the capacitor overvoltage of dc-link.So，the proposed control strategy improves the LVRT performance of doubly-fed wind power generator.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG);low voltage ride-through (LVRT);double hysteresis current controller (DHCC);crowbar

收稿日期：2016-01-01.

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2011CDC016).

作者简介：高仕红(1971- )，男(苗族)，博士生，副教授，主要从事大功率电力电子在电力系统中的应用研究.

文章编号：1008-8423(2016)01-0045-05

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.012

中图分类号：TM614

文献标志码：A