接于弱电网的双馈感应发电机在定子故障情况下的无功功率控制策略

孙丽玲，邢东霞

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

0 引言

我国风能资源丰富的地区通常地处偏远，风机需经过较长的输电线路或电缆连接到电网[1]，形成网架结构薄弱的弱电网。弱电网对风机输出无功/有功功率的变化较为敏感[2]，易出现风机并网点PCC(Point of Common Coupling)电压的稳定性问题。而双馈感应发电机DFIG(Doubly-Fed Induction Generator)所具有的功率解耦控制功能可扩大无功功率的调节范围以维持PCC电压的稳定性。

目前，诸多学者针对DFIG的相关控制策略展开了深入的研究。文献[3-5]为了充分发挥风电机组的无功调节能力，对双馈风机的无功功率极限进行了深入的研究，但未考虑DFIG有功波动对输出无功的影响；文献[6]对双馈风机无功参与系统电压调节的问题进行了探讨，并提出了相应的控制策略；文献[7-9]依据无功/有功的关系，提出了综合考虑无功补偿装置和风机自身无功以实现风电场静态电压的稳定性。需要注意的是，文献[6-9]着重于双馈风机接入大电网的情况，并未计及长输电线路给电压稳定性带来的影响。在实际工程中，线路阻抗要消耗大量无功，研究弱电网下双馈感应风机的运行特性，减小PCC处的电压波动程度具有实用价值。就目前而言，仅有少量文献对这一问题进行了研究。文献[10]阐述了线路阻抗参数和电网强弱程度对风机输出有功、无功及电网电压的影响；文献[11]提出了一种自适应电压控制策略以维持DFIG接入弱电网后PCC电压的稳定性。

上述文献的研究重点在于：风电场及风机针对电网不平衡或波动所采取的控制措施，并未考虑DFIG本身故障对PCC电压稳定性的影响。定子匝间短路SWITSC(Stator Winding Inter-Turn Short Circuit)作为DFIG的常见故障，是一种渐进性的故障[12]，即SWITSC故障需要经历一定的时间才能发展、恶化为接地或相间短路故障进而触发继电保护装置并停机。文献[13]提供了一个实际例证：一台感应电动机(与DFIG同为感应电机，具有类似的结构、材料、工艺等)发生SWITSC故障后，仍然持续全压运行750h(期间启动67次)。这就意味着，DFIG是可以带SWITSC故障运行的[14]，并且位于弱电网环境中的风机难以及时得到检修和维护，这使DFIG带故障运行的概率增加。因此，分析DFIG的SWITSC故障对弱电网电压稳定性的影响，据此研究DFIG的无功控制策略以维持PCC电压的稳定性具有必要性。

本文首先在MATLAB/Simulink中搭建了含弱电网、DFIG(正常与发生SWITSC故障)的仿真模型，通过仿真结果及理论分析验证了DFIG的SWITSC故障对PCC电压稳定的影响。然后，提出了一种改进的DFIG输出无功功率控制策略以遏制SWITSC故障下PCC电压的降落，并通过仿真结果验证了其有效性。

1 DFIG的SWITSC故障对PCC处电压的影响

1.1 仿真模型

本文所研究的弱电网模型与文献[10-11,15]相同，均是由理想电压源、长输电线路及DFIG组成的简单弱电网，其基本结构如图1所示。图中，Zweak为输电线路阻抗；Ur为大电网电压；Upcc为PCC处电压；Pt、Qt分别为风电场输出的有功与无功功率。由于弱电网没有统一定义，本文采用短路容量比SCR(Short Circuit Ratio)，即PCC处的短路容量与DFIG的额定功率之比表示电网强弱程度，若SCR小于10，则电网为弱电网[16]。

图1 弱电网示意图Fig.1 Schematic diagram of weak network

DFIG的SWITSC故障主要由过电压引起，而大部分过电压是由定子的第一个线圈承受，其故障模型见图2，采用短路匝数比表示其故障严重程度[12-14]。将含SWITSC故障的风机接入弱电网得到本文的研究模型，文献[14]已详细介绍了正常运行、发生SWITSC故障下的DFIG模型，本文不再赘述。

图2 定子A相绕组匝间短路故障示意图Fig.2 Schematic diagram of SWITSC in phase-A

1.2 仿真分析

对上述系统在MATLAB/Simulink中进行仿真，设置DFIG发生SWITSC故障的时间为1s。设置输电线路阻抗比为1、SCR值为10、短路匝数比为0.4，系统仿真结果见图3(纵轴为标幺值)。详细的模型数据见文献[17]，其中DFIG的主要参数如下：额定电压为575V，定子每相电阻为0.023p.u.，转子每相电阻为0.016p.u.，定子每相漏感为0.18p.u.，转子每相漏感为0.16p.u.，定转子间互感为2.9p.u.。

图3 SWITSC故障对弱电网的影响Fig.3 Influence of SWITSC fault on weak network

从图3可知，DFIG发生SWITSC故障，使PCC处电压低于额定值。而这一现象是由风机发生故障引起有功输出减小导致的。为了保证该点的电压水平，DFIG输出的无功容量增加，但DFIG的无功调节能力未被充分利用，所以PCC处电压仍然出现降落。

1.3 理论分析

根据文献[15]可知，DFIG发生SWITSC故障会导致电磁转矩减小，即DFIG输出有功减小，与本文仿真结果一致。

忽略电压降落横分量，分析图1所示的弱电网系统可得：

(1)

其中，X、R分别为输电线路电抗与电阻。

根据式(1)，在电网与PCC电压保持稳定的情况下，Qt、Pt与R/X及SCR的关系如图4所示(图中Qt、Pt为标幺值)。

图4 R/X及SCR变化引起的Qt、Pt变动Fig.4 Qt and Pt vs. R/X and SCR

由图4可知，当R/X及SCR值一定时，随着DFIG输出有功的减小，为了维持PCC电压的稳定性，所需DFIG的无功输出容量增加。但当前的无功功率控制策略并未充分发挥DFIG的无功能力，若电网所需无功超出DFIG无功输出则导致PCC电压降落。

2 DFIG输出无功功率控制策略

针对上述问题，本文提出了一种改进的DFIG输出无功功率控制策略，以充分发挥DFIG自身的无功功率调节能力。由文献[3-4]可知，DFIG具有一定的无功功率调节能力，并随DFIG输出有功功率的减小，其无功功率输出能力增强。因此，针对DFIG发生SWITSC故障而引起的PCC电压降落问题，利用DFIG尽可能地进行无功功率补偿是可行的。

图5 变流器控制模式Fig.5 Control modes of converters

在上述控制策略中，网侧和转子侧电流的反馈环节均采用PI控制器。通过将DFIG电流分解为相互解耦的无功、有功分量，对其进行独立、灵活的控制，进而实现对无功、有功功率解耦控制。详细的电流内环控制如图6所示。图中，ug、ur为前馈补偿量；Eg、Er为耦合补偿量；kp、ki分别为比例和积分增益；s为转差率。

图6 电流内环控制Fig.6 Current inner loop control

由于DFIG发生SWITSC故障会导致PCC电压降低。为了维持PCC电压稳定性，所需无功功率根据式(1)推导得到。

(2)

由式(2)可知维持PCC电压稳定所需的无功功率Qt，若其小于DFIG所能发出的最大无功功率Qe-max，则两侧变流器之间的无功功率分配依据式(3)进行；否则，两侧变流器之间的无功功率分配依据式(4)进行。

(3)

(4)

其中，Qr-ref、Qg-ref分别为转子侧与网侧变流器的无功参考值；Qr-max、Qg-max分别为转子侧与网侧变流器所能提供的最大无功功率。

3 MATLAB/Simulink仿真验证

3.1 系统仿真模型

含SWITSC故障风机接入弱电网仿真模型的简化电路如图1所示。在MATLAB/Simulink中搭建上述模型，其中DFIG模型在MATLAB/Simulink环境下采用Level-2 S-函数模块替代。

3.2 仿真结果

根据仿真模型，分别从常规无功功率控制、不同SWITSC故障程度、不同电网强度、线路阻抗比4个方面验证本文所提控制策略的有效性。

采用常规的无功功率控制策略时，PCC电压波动较为显著，如图3所示。采用改进的无功功率控制策略，当风机发生SWITSC故障时的仿真结果如图7所示(纵轴为标幺值，后同)。此时线路阻抗比为1，SCR值为10，短路匝数比为0.4。

图7 采用改进无功功率控制策略仿真结果Fig.7 Simulative results of improved reactive power control strategy

对比图7、3中PCC处电压并结合图7中无功功率可知，改进的无功功率控制策略可充分发挥DFIG的无功功率输出能力，从而遏制PCC电压的降落。

另外，根据图7可知，在未发生SWITSC故障时，改进的无功功率控制策略与常规的无功功率控制策略是等效的，这表明改进的无功功率控制策略可以替代常规的无功功率控制策略。

由文献[15]可知，随着故障程度的增加，DFIG输出的有功功率将进一步降低，此时DFIG的最大输出无功反而增加。因此针对不同SWITSC故障程度验证上述改进的无功功率控制策略是必要的。不同SWITSC故障程度下的仿真结果如图8所示。与图3、7不同，图8是在R/X值为1、SCR值为10、短路匝数比为0.2情况下的仿真结果。由图8中常规控制策略下PCC处电压与图3所示PCC处电压对比可知，随着SWITSC故障程度的增加，PCC电压波动幅度变大。

图8 改变SWITSC故障程度的仿真结果Fig.8 Simulative results of changing SWITSC fault degree

对比图7、8中无功功率可知，SWITSC故障程度越大，DFIG的无功调节能力越强，与前文理论分析一致。另外，随着DFIG的SWITSC故障严重程度增加，本文所提无功功率控制策略仍然可以有效地保证PCC电压稳定。

分析图4可知，不同的线路阻抗比及电网强度会影响DFIG输出的无功、有功功率。因此，研究含SWITSC故障的DFIG在不同R/X值及SCR值下对PCC电压波动性的影响，并验证本文所提控制策略对不同运行情况的适用性是必要的。相应的仿真结果如图9、10所示。图9是在SCR值为10、R/X值为0.25、短路匝数比为0.4情况下的仿真结果。由图9中PCC处电压可以看出，改进的控制策略显著缓解了PCC电压降落。对比图7、9中的无功功率可知，随着R/X值减小，DFIG的无功输出能力增强，DFIG自身发出的无功功率足够维持PCC电压的稳定性。图10是在SCR值为6、R/X值为1、短路匝数比为0.4情况下的仿真结果。从图10可以看出，不同的SCR值也会影响风机输出的无功功率。但无论R/X值与SCR值在合理范围内如何变动，当DFIG发生SWITSC故障时采用本文所提无功功率控制策略均可维持PCC电压的稳定。

图9 改变阻抗比的仿真结果Fig.9 Simulative results of changing impedance ratio

图10 改变电网强度的仿真结果Fig.10 Simulative results of changing strength of network

4 结语

针对接于弱电网的DFIG发生SWITSC故障引起的PCC电压降落问题，提出了一种改进的DFIG输出无功功率控制策略。该控制策略充分发挥了DFIG的无功功率调节能力，在SWITSC故障情况下，可以有效遏制PCC电压的降落，在正常情况下则与常规控制策略等效。仿真结果表明该控制策略是正确、有效的。

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