双馈风力发电系统故障穿越性能改善的控制策略

冯野

国华（乾安）风电有限公司 吉林松原 131400

当前情况下，在变速恒频风力发电系统当中，双馈感性发电机获得了较为广泛的应用，它独有的并网形式以及功率控制方法，可以快速感知电压波动情况，尤其是在电网出现故障导致电压跌落时。电网运行出现问题，就很有可能会导致电压跌落问题的出现，引起相应的转子组过电流，如果不能及时采取相应的控制方法，长期下去，就会造成转子侧变换器的热效应情况出现问题，严重时甚至会导致风电机运行故障，最终影响到电网的有序运行。目前，我国较多相关方面的学者都对于改善双馈风力发电系统的故障穿越性能给予了较多的关注，具体来说，我们可以将此项研究细分为硬件实施方案以及控制策略改善方案两大类型，尽管各具优势，但同时也或多或少的都存在着一些问题。为了有效改善这一方面的性能，我们在这篇文章当中提出了一种多开关故障穿越方案，从而实现控制电流的目的。

1 机端电压跌落转子电路的瞬态性能

通常情况下，我们再分析电压和电流时都是根据电动机的惯例来进行判定的。当电网出现了对称故障情况时，依据幅值的变化情况和磁链守恒原理，在忽略电阻值变化情况的条件下，可以计算出定子参考坐标系下的定子磁链数值。机端电压在跌落之前，通常是由转子侧变换器向转子绕组提供电压，我们假定机端电压在跌落前后的额定电压不会发生变化，可以十分精准的计算出电压值。当电网中的机端电压出现不对称跌落情况时，机端电压的幅值也会有所下降，依据相应的对称分量理论可以测算出相应的相量[1]。气隙磁链是由电压生成的，而气隙磁链的总和又会构成强制分量。值得注意的是，零序电压不会构建起气隙磁链。

机端电压对称跌落时转子会产生较高的峰值电流，但是能够持续的时间相对较短。当出现不对称跌落情况时，整体的电压跌落，转子钟都会产生较高扶植的振荡电流。如果不经过特别处理，系统的运行情况就会始终停留在电动机模式，始终从电网中获取无功功率，长期下去，对电网的发展和电压的恢复来说都是十分不利的。

2 多态滞环电流矢量控制器

针对参考电压矢量的确定系列问题，我们选择采取一种新型的双滞环电流时段控制策略来进行研究。具体来说，在转子的三相坐标当中需要使用不同的两组转子电流滞环。而参考电压的矢量应当依靠空间位置的变化以及较大带宽的外电流滞环来进行确定，在此基础之上，方可测算出转资侧变换器所输出的最优电压矢量。而想要对于转子参考电流进行跟踪只需要合理利用较小带宽的那电流滞环即可，通过对于电压矢量组合进行测定饥渴测算出转子策变换器锁输出的最为适宜的电压矢量。随着内容改革的不断深入，我们在此基础之上又提出了更具实用性的三态滞环电流矢量控制方法，但这一方案中仍然存在着一些问题。举例来说，从最优空间电压的矢量组合选择最优空间电压不确定性的问题仍然难以解决，滞环电流矢量控制策略的运行效率也会随之而受到影响[2]。

针对现有系统中存在的滞环电流矢量控制器缺陷问题，我们提出了一个更具优势性的多态滞环电流矢量控制器，参考电压矢量空间位置的确定，通过两个或多个多态滞环电流比较器的输出情况来进行判断，并在此基础之上进行更新，无需依靠空间位置的侦测外环即可促进系统有序运行。除此之外，通过观测比较器的输出状态也可以测算出最优的空间电压矢量，无需依靠传统矢量控制中的调剂单元，即可有效提升系统的响应速率。在多态电流矢量控制器当中空间电压矢量是被动引入到控制过程当中的，可以有效削弱转子侧变换器开关动作的频率。

合理运用多态滞环电流矢量控制器，可以有消消除三相坐标系统下所产生的相互影响。多态滞环电流矢量控制器主要由两个比较器以及一个开关共同构成，调整开关状态即可实现对于电压矢量的控制调整。当转子侧变换器上的开关中有两个处于闭合状态时，则系统中所运行的电压矢量为零。

3 故障穿越策略分析

与其他种类的控制器进行对比，PI控制器的调节性能较为稳定，但其同样也存在着明显的优势，那就是调节性能相对较差。多态滞环电流矢量控制器的带宽较大，因而此类控制器具有较为优质的瞬态响应性能。想要有效解决系统的故障问题，就应当发挥现有控制策略中的优势，开展复合电流控制的方法[3]。具体来说，就是在机端电压跌落之前以及跌落后处于稳定状态的阶段，充分利用PI控制器来实现对于转子电流的调节作用，从而确保系统运行的稳定性。当机端电压跌落，仍然处于暂态恢复期间时，激活多态滞环电流矢量控制器的作用，可以有效提升瞬态性能的维持转子电流精确控制作用，提升转子电流的精确性。同时，为了确保机端电压在跌落区间不会出现失控问题，还需要再转子电路中串联能够起到控制作用的动态电阻器，从而起到分压和限流的作用，限制转子电压和电流保障其处于标准限制范围内。

3.1 动态电阻器的串联作用

依据转子电流设计的限定值，转子绕组中的动态电阻器会受到电力电子开关的控制，当动态电阻器处于运行状态时，动态电阻器被旁路。而当。机端电压跌落并处于恢复暂态的情况下时，如果电流达到了规定的限制，那么只需要根据电压跌落监控单元来控制开关即可，可以讲动态电阻放置与转子绕组当中，从而实现对于转子电流的控制作用。

3.2 开关控制方法分析

在双馈风力发电系统中的故障穿越策略主要涉及到开关控制的三个方法。当机端电压在跌落前或是在跌落后保持稳定状态的过程中，可以充分利用最优的稳态性能来实现对于转子电流的调节和控制。而当机端电压处于跌落状态和跌落恢复状态期间时，可以根据相应的转子电流限制来调动响应速率较快的多态滞环电流矢量控制策略。通常情况下，多态之环电流的矢量控制器都需要设定相应的延时时间，最主要的目的就是为了减少转子电流中所存在的低阶谐波电流[4]。

经过大量的仿真分析，在非低电压故障扰动情况下引起的转子过电流不会触发多态滞环电流矢量控制。多态滞环电流矢量控制器的作用时间设定一个短延时的主要目的是尽量减小转子电流中的低阶谐波电流。由于文中所推荐的多态滞环电流矢量控制器的开关频率不是常数，为限制转子侧变换器的最大开关频率，多态滞环电流矢量控制器的误差带设计得比PI控制器大，在转子电流中这将导致大量的低阶谐波电流。在较严重的电网故障情况下引起的转子过电流不致频繁触发动态电阻器，可防止控制状态频繁切换引起的振荡。

3.3 仿真实验研究

想要充分发挥故障穿越策略对于故障穿越性能的改善作用，我们在本次研究当中设置了相应的仿真软件，并构建起了评估故障穿越性能的仿真模型。在进行仿真实验研究的过程当中，我们需要保障输出功率以及转子转速的稳定，调整三相电压的跌落情况。在机端三相电压跌落时多态滞环电流控制器仅在电压跌落和恢复初始期间被激活，而在机端电压不对称跌落时多态滞环电流控制器几乎作用于整个电压跌落期间，其原因在于机端三相电压跌落时在转子中产生的过电流

持续时间较短，而机端电压不对称跌落时在转子中产生的振荡过电流持续整个电压跌落期间。并且不同的机端电压跌落类型，动态电阻器的激活次数也不相同。

4 结语

综上所述，想要有效改善当前双馈风力发电系统的故障穿越性能，多态滞环电流矢量控制器是一个有效的工具。本文就立足于多开关的控制策略，提出了一系列有效的故障穿越控制方法，但仍然存在着一系列不够完善的地方。在未来的发展与研究过程中，我们仍然需要针对这一问题开展更为深入的研究，希望可以为改善双馈风力发电系统的故障穿越性能起到一份有力的推动作用。