改进控制策略与硬件电路结合的故障穿越方法

高 阳

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

0 引言

近年来，世界各国都高度重视风能资源的开发和利用，并取得了长足的发展。但在风力发电规模扩大的同时，其安全运行对电力系统也造成一定的影响，其中难度较大的是故障穿越运行。双馈异步风力发电机(Double Fed Induction Generator，DFIG)具有风能转换率高、换流器容量小、有功无功解耦控制等诸多优点，成为风电市场的主流机型。但DFIG定子绕组与电网直接相连，使其对电压故障尤为敏感，因此，进一步提高DFIG的故障穿越能力，满足日益严格的电网规程要求，成为当前的热点研究问题[1-4]。

基于改进控制策略，文献[5]提出增加定子电压前馈瞬态补偿项来改善故障穿越能力和瞬态特性。文献[6]提出一种改变转子侧变流器低电压穿越的控制策略，省去对定子磁链的观测，使控制算法更加简便。文献[7]针对故障期间定子磁链所出现的负序分量和直流分量，提出新型的控制策略。文献[8]提出计及控制策略影响的双馈风力发电机的暂态模型，以此实现DFIG的故障穿越。但是通过主动的控制策略，只能穿越较轻的电压跌落故障。在电压跌落较为严重时，因转子侧变频器容量的限制，不能提供足够的控制电压限制转子的故障电流，所以需要附加技术应对我国电网规范中提出的低电压穿越要求。撬棒保护电路因简单有效而被广泛应用，但是存在风电机组失控问题，双馈电机变为不受控的异步发电机运行后，很容易导致转矩飞升[9-12]。许多文献提出了改进的被动故障穿越技术。文献[13]提出的基于转子串电阻的双馈机组故障穿越技术，改善了机组的转速稳定性和瞬态行为，但是没有给出直流侧卸荷电路的具体分析。文献[14]利用转子串电阻方案解决低电压穿越问题，但对转子串电阻阻值的确定没有进行详细分析。

针对以上问题，本文提出一种基于改进控制策略和附加硬件电路相协调的故障穿越方法。给出考虑定子励磁电流动态变化的精确数学模型，分析了附加转子串电阻电路和直流卸荷电路的理论依据、限流电阻和卸荷电阻阻值的确定以及开关信号控制策略。通过MATLAB/SIMULINK仿真平台，控制信号来决定附加硬件保护电路是否投入，减小对对电压跌落的不同程度进行仿真分析，通过开关控系统的负面影响，改善机组的瞬态响应。

1 计及定子电流动态变化的数学模型

传统矢量控制方式并没有考虑定子励磁电流的动态变化，在系统稳定运行时可简化DFIG的数学模型，得到相对较好的稳态运行性能，但并不适用于电网电压跌落情况下的控制。此外，考虑到任何附加硬件电路的投入，对系统本身都是一种扰动。所以本文采用一种计及定子励磁电流动态变化的控制模型，减小在电网电压跌落程度较轻时附加保护电路投入对系统带来的负面影响。

双馈发电机定、转子均采用电动机惯例，并且将转子侧折算到定子侧，DFIG在同步旋转dq坐标系下的电压方程和磁链方程为：

(1)

(2)

令等效定子励磁电流Imo=LsIs/Lm+Ir，于是有

(3)

(4)

在电网电压正常时，定子磁链为一恒值，此时dImo/dt=0，没有定子励磁电流的动态变化。但在电网电压跌落时，定子磁链发生动态变化，dImo/dt≠0，(4)的第一个方程变为：

(5)

将其带入(4)的第二个方程得转子电压为：

(6)

上式是改进控制策略的依据，采用定子电压定向控制，上式可写为：

(7)

从(6)可以看出改进控制器的思路是在传统矢量控制模式基础上考虑定子励磁电流动态变化的补偿量Lm(Us-RsIs-jω1ψs)/Ls，以此进行解耦电路的改进，减小在故障期间对双馈机组定、转子的影响。改进的计及定子励磁电流动态变化的转子侧控制策略如图1所示。

图1 计及定子励磁电流变化的改进控制框图

2 附加硬件电路的分析与控制

基于改进控制策略和附加硬件电路相协调的故障穿越方案系统图如图2所示。

图2 附加硬件电路相协调的故障穿越结构图

2.1 转子串电阻保护电路

根据(1)(2)可得转子电压的另一种形式

(8)

Lrσ、Rrσ分别为转子瞬态电感和瞬态电阻：

(9)

(10)

可以看出，增大转子回路或定子回路电阻均能增加转子瞬态电阻。按照串联电阻保护电路接入位置的不同，分为转子串电阻保护电路和定子串电阻保护电路。虽然定子串电阻保护电路很小的限流电阻值就能抑制转子过电流，但是转子电压受电阻大小影响不敏感；此外，定子串电阻方案并不像转子串电阻那样仅需处理部分容量即可，而且所需的元器件额定容量较大，导致设备体积增加，损耗高、效率低，成本高。所以本文选择转子串电阻电路来抑制转子过电流。

2.1.1 限流电阻阻值的确定

转子串电阻电路限流电阻阻值的确定首先要以最严重电压故障条件下转子故障电流可能出现的最大值为依据。此外，限流电阻是串联在转子绕组和转子侧变换器之间的，故障期间转子侧变换器仍处于工作状态，所以还需考虑转子侧变换器所能承受的最大电压。

包含转子侧变换器输出电压量的转子故障电流的表达式可近似表示为[14]：

(11)

(12)

根据边界条件：

ira,max≤ir,lim

(13)

Vrp≤VRSC,lim

(14)

式中：ir,lim是转子电流的安全限值，A;VRSC,lim是转子变换器电压安全限值，V。通过(12)(13)(14)可计算出时间常数τr，之后可求出转子串电阻阻值Rrsr：

(15)

2.1.2 转子串电阻电路模型及控制

转子串电阻保护电路主要由限流电阻和旁路开关组成，其拓扑结构及开关控制策略如图3所示。保护电路的投入对系统本身也是一种扰动，所以采用转子电流与其安全限值比较后来决定限流电阻是否投入，并不是在故障发生时就立即接入保护电路，以此减小对系统的负面影响。即转子电流未超过安全限值2 p.u.时,旁路开关闭合，限流电阻被旁路；若转子电流超过安全限值2 p.u.时，旁路开关打开，限流电阻串入电路，转子瞬态电阻增加，避免转子绕组过电流现象的发生。

图3 转子串电阻电路拓扑结构及开关控制策略

2.2 直流卸荷电路

卸荷电路通常由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、二极管和卸荷电阻构成。直流侧卸荷电路及开关控制策略如图4，通过开关信号的控制来投入或切出卸荷电路，以此维持故障期间直流母线电压的稳定。

图4 直流卸荷电路拓扑结构及开关控制策略

2.2.1 卸荷电阻阻值的确定

卸荷电阻的大小对变换器故障穿越能力有很大影响，选择合适的电阻值有利于提高系统的暂态性能。

直流侧电容电压的控制方程为:

(16)

式中：Udc_max是直流母线允许的最大电压；Pr是转子侧变换器输出的功率；Pg是网侧变换器输出的功率。电网故障程度、变换器过载能力和直流侧电压都会影响卸荷电阻阻值的大小[15]。假设发生故障以后，电网电压突变为γug，γ为此时的电压与额定电压的比值；ug为额定电压；网侧变换器电流变为(1+δ)ig，ig为额定电流，δ为故障发生后超出额定电流的比值部分。此时直流电容电压的控制方程变为：

(17)

若限制δ防止网侧变换器过流，此时ΔP将会增大，多余的能量需要通过卸荷电阻消耗掉，以此来抑制直流母线电压的升高，防止过电压现象发生。

忽略电路中非线性元件的影响，卸荷电阻的大小取决于允许消耗的最大功率和直流母线允许的最大值Udc_max，据此得卸荷电阻阻值为：

(18)

计算卸荷电阻阻值时需要注意，因根据电阻的发热情况，功率参数应留有一定的安全裕量。

2.2.2 卸荷电路的控制

同转子串电阻保护电路一样，采用直流母线电压与其额定限制进行比较后来决定卸荷电阻是否投入，减小直流卸荷电路在故障期间的运行时间，最小化对系统的负面影响。若直流母线电压超过其最大限值1.2p.u.时，功率开关闭合，卸荷电路投入运行，通过卸荷电阻将多余的能量释放掉，以此来维持直流母线电压的稳定。若直流母线电压在安全限值1.2p.u.以内，功率开关打开，卸荷电路此时不接入系统。

3 仿真验证及结果分析

3.1 仿真条件

基于MATLAB/SIMULINK仿真平台，按照图1所示搭建仿真模型。其中双馈感应发电机参数为：额定功率为2 MW，定子额定线电压为690 V，直流母线额定电压为1 200 V，额定频率为50 Hz，极对数为3，定子电阻为0.0108 p.u.，转子电阻为0.0102 p.u.，定子漏感为0.102 p.u.，转子漏感为0.11 p.u.，定转子间的互感为3.362 p.u.。

3.2 仿真分析

图5为电压跌落程度为20%时双馈风力发电机的瞬态响应波形，电压跌落程度为20%时的波形如图6所示。此时没有附加硬件电路的投入，且转子电流、直流母线电压、电磁转矩均在安全限值范围以内，可以有效抑制转子过电流，保护转子励磁变换器。仅通过考虑定子励磁电流动态变化的改进控制策略就能保证机组完成低电压穿越，验证了改进控制策略相比于传统的控制策略在应对较轻电网电压故障时更具有优越性。

图5 电压跌落程度20%时瞬态响应波形

图6 开关状态信号波形

图7是电压铁落程度45%时双馈风力发电机的瞬态响应波形。

图7 电压跌落程度45%时瞬态响应波形

电压跌落程度为45%时，转子串电阻保护电路没有接入系统，但直流侧卸荷电路投入运行，波形如图8所示。通过考虑定子励磁电流动态变化的改进控制策略就可以控制转子电流在安全限值2 p.u.以内。但从变换器直流侧母线电压的变化波形能够看出，此时其波动范围超出安全限值，必须启动直流侧卸荷电路，以此来抑制直流母线过电压。因此，当电压跌落为额定值的45%时，要求改进控制策略和直流卸荷电路互相配合，从而确保机组顺利完成故障穿越。其中电磁转矩振荡幅度远低于安全限值，风电机的组扭切应力冲击被减小，利于延长双馈风力发电机的使用寿命。

图8 开关状态信号波形

电压跌落程度为75%时的双馈风力发电机的瞬态响应波形如图9所示。转子串电阻保护电路和直流卸荷电路都投入系统运行。如图10所示，若仅通过考虑定子励磁电流动态变化的改进控制策略，转子故障电流已超过安全限值2 p.u.，所以必须接入转子串电阻电路，以此来抑制转子过电流。但是单纯利用转子串电阻电路不能满足直流母线电压在安全限值范围以内，需要直流卸荷电路的投入抑制直流母线电压，改善故障穿越能力。

图9 电压跌落程度75%时瞬态响应波形

图10 开关状态信号波形

4 结论

通过以上分析，验证了基于改进控制策略和附加硬件电路相协调的故障穿越方案的有效性，确保了双馈风电机组不间断并网运行，成功穿越电网故障。改进控制策略能满足电网电压跌落程度较轻情况下的故障穿越，有效控制发电机转子过电流情况，保护转子侧变换器，减小在传统控制策略下保护电路的投入对系统的负面影响；电网故障较为严重时，单纯通过转子串电阻电路不能满足直流母线电压在安全限值范围以内，需要配合直流侧卸荷电路的投入来抑制直流母线过电压。所提的故障穿越方法能够满足我国电网规范中提出的故障穿越要求，并且在故障期间具有相对较好的暂态特性，提高风电机组并网运行的稳定性，完成双馈机组的故障穿越。

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