三相风力发电机低电压穿越控制方法仿真

唐文秀，李长宇

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引言

所谓低电压穿越是一种不间断的风电机组并网运行行为，可在电网故障或发生扰动的情况下，抑制由风电场并网点引起的电压跌落现象。，在光伏电站或电力系统发生事故或扰动的过程中，低电压穿越行为可以有效应对并网电压值的快速跌落，并且能够保障所有发电机组在不脱网的情况下，维持连续运转状态。通常情况下，电网电压大幅跌落会对并网风电机组的正常运行产生较大的负面影响，且在特定状态下，定向的暂态低电压穿越有可能引起瞬时电流的大幅度增加，进而导致电力电子器件损坏[1]。因此可认为，适量的低电压穿越确实会减缓并网点电压的不断跌落，但强度过大也有可能增加发电机器件的磨损速率。

为将风电机组低电压穿越水平控制在合理范围内，现有技术手段主要通过MPPT、PWM、PCC三种控制方法对这种并网点电压行为进行协调分配。MPPT控制方法以平均化模型作为调节基础，对风力发电机并网点进行跌落电压分量的同时，控制低电压穿越进程中的正序与负序跌落状态。PWM控制方法可根据风力发电机组有功功率的振荡情况，调节无功电流的基础注入量，进而实现对低电压穿越的控制处理。PCC控制方法注重对输出端电压的分群建模，通过并网点有功、无功动态特性的进行分配比例，实现对低电压穿越能力的适配调节。但随着科学技术手段的进步，这三种方法都不能有效解决局部电压过高的问题，进而导致发电机并网环境中的电子跳跃行为出现过量攀升。

为更好适应发电机并网环境下跳跃电子对局部电压的限定需求，设计一种新型的三相风力发电机低电压穿越控制方法。通过逆变器设备的选择、电压开关切换等操作，完成相关控制步骤的实施，并通过设计仿真对比实验的方式，突出说明新型方法与三种传统方法间的应用差异性。

2 三相风力发电机的低电压建模

根据逆变器选择结果，建立完整的三相低电压矩阵，实现对正负序电压的完善，完成三相风力发电机的低电压建模操作。

2.1 三相低电压矩阵建立

(1)

(2)

其中，w1、w2代表两个不同的低电压节点数值，λ代表风力发电量的物理传输系数。在式(2)的基础上，设r1-r3分别代表不同的低电压节点系数，q1-q3分别代表低电压偏移量的定点向量条件，利用上述物理参数可将三相低电压矩阵表示为

(3)

式中，Eq代表三相低电压矩阵的数值表示结果，偏移量q则表示对该数值结果的物理限定条件。

2.2 正负序电压的分量

正负序电压分量是三相风力发电机低电压建模操作中的重要处理环节，以低电压矩阵作为重要依据，严格限制低电压节点的穿越幅度。在三相低电压矩阵中，所有分子系数均保持着关联分配状态，且随着发电机运行时间的不断延长，相邻系数分子间会出现完全相反的穿越性变化趋势，即随着头分子数量级条件的增加，后续分子会呈现减少、呈现为交替出现的变化趋势[6-7]。设β代表正序电压量影响系数，β′代表负序电压量影响系数，联立式(3)可将正负序电压的边界物理条件表示为

(4)

(5)

式中，p代表正序低电压的最大偏移量，a代表正序低电压的最小偏移量，p′代表负序低电压的最大偏移量，a′代表负序低电压的最小偏移量。d表示电压偏移系数。至此，实现三相风力发电机低电压的建模处理。

3 基于低电压模型的穿越控制方法

3.1 低电压开关切换

低电压开关切换是实现穿越控制方法搭建的首要电分量处理环节，既要考虑三相风力发电机低电压模型的合理性，也要判定控制电路中的流通电子量是否满足发电机的调节执行需求。在风力发电机保持正常执行连接状态时，逆变器会根据并网接点的上限分解标准，选择是否要与低电压控制组件建立物理连接[8]。判断结果为“是”时，现存的三相低电压矩阵才具备应用连接价值，且只有在此状态下，才可以进行后续的正负序电压分量操作处理；判断结果为“否”时，现存三相低电压矩阵中至少存在一个元素分子会使后续的正负序电压分量操作出现较大物理偏差。低电压开关作为矩阵向量之间的利用元件，可按照与正负序电压值相关的系数规则，建立三相风力发电机与低电压端设备间的物理连接。从执行性功能角度来看，切换是一项必要的穿越控制策略，既能大量消耗并网接点中累积的电量穿越分子，也能使正、负序端电力组织具备更强的穿越控制能力。图1为完整的低电压开关切换处理流程。

图1 低电压开关切换流程图

3.2 电压穿越关系分析

电压穿越关系是对三相风力发电机高、低侧端用电电压的精准分析。在低电压开关具有良好切换能力的前提下，电压穿越现象的平均水平总是与最大升电压值、最大降电压值保持正相关影响关系，且随着发电运行时间的延长，三者之间的制约关联程度也会随之提升。已知正负序电压分量标准可作为低压侧电量的累积影响条件，在平均发电系数|T|的影响下，联立式(5)可将低压侧电量累积的影响条件表示为

(6)

(7)

式中，g代表高压侧的最大电分子量。在高、低压侧电量累积影响条件保持相互独立的前提下，设j代表低电压分子所具备的穿越能力条件，l代表平均穿越向量，联立式(6)、式(7)可将标准的电压穿越关系描述为

(8)

其中，μ代表低电压的穿越级别条件，c代表平均穿越向量的补充描述量，A同一时刻完成低电压穿越行为的电力分子数量，s、z代表两个不同的电压量描述指标。

3.3 穿越稳定性控制

穿越稳定性控制，需要在电压穿越关系等多项物理系数的支持下，确定最适宜的干预控制力度。已知h代表电压穿越关系的基本利用系数，Δx代表低电压分子在穿越过程中的基本变化量，联立式(8)可将最终的穿越稳定性控制结果表示为

(9)

其中，v1、v2代表两个不同的下限调节数值参量，ω代表控制比重权限系数。至此，完成所有执行理论系数计算，但是为了保证三相风力发电机低电压穿越控制效果，需要进一步利用风力发电机逆变器对低电压穿越调节。

3.4 风力发电机逆变器选择

风力发电机逆变器是三相低电压环境中的重要调节设备，可实现对不合理电子分量的定向物理转化。满足三相处理需求的发电机逆变器必须包含三条独立的穿越控制电路，每条电路中只能包含两个阻值相同、电量相等的消耗电阻，且为了保证低电压穿越控制过程中的电量均等分配，每条电路中的两个消耗电阻只能保持串联传输关系。作为发电机并网环境中的唯一动态元件，逆变器以基尔霍夫设备作为核心搭建装置，在DC-AC电路的促进下，三条独立穿越控制电路可分别与基尔霍夫设备相连，随着三相风力发电时间的不断延长，控制电路中流通的电力分子数量也随之增加。逆变器会使消耗电阻两端所得到的分配电压不断减小，直至电路中的流通电流达到电阻元件所能承受的理论下限条件，以此实现三相风力发电机低电压穿越调节，选择合理的风力发电机逆变器能够进一步提升穿越控制的稳定性。下图为完整的风力发电机逆变器结构。

图2 风力发电机逆变器结构图

通过低电压控制理论的分析以及风力发电机逆变器的选择实现了三相风力发电机低电压穿越控制。

4 实验结果与讨论

为突出说明三相风力发电机的低电压穿越控制方法、MPPT控制方法、PWM控制方法、PCC控制方法间的应用差异性，利用理想物理平台设计如下仿真对比实验。令配置相同的计算机装置模拟三相风力发电机的正常运转状态，采取人工干预的手段，阻碍运行过程中的发电机低电压穿越行为。其中，实验组搭载新型穿越控制方法、对照组1搭载MPPT控制方法、对照组2搭载PWM控制方法、对照组3搭载PCC控制方法。

4.1 物理环境设置

为全面提升实验结果的真实性，可按照下表完成相关仿真物理环境设置操作。

表1 仿真参数表

出于公平性考虑，实验组、对照组实验参数始终保持一致。

4.2 发电机局部电压高次项极值对比

在低电压高阶识别系数等于0.65的条件下，以60min作为实验时间，分别记录该段时间内，应用实验组、对照组1、对照组2、对照组3的控制方法后，发电机局部电压高次项极值的变化情况，实验详情如表2所示。

表2 发电机局部电压高次项极值对比表

对比表1、表2可知，在60min的实验时间内，实验组发电机局部电压的高次项极值始终未超过190V，最低时甚至达到176V，与理想极值200V相比，下降了24V；三个对照组发电机局部电压的高次项极值始终高于190V，且超过一半时间的物理数值都超过理想极值200V，最大数值条件更是达到了212V，超过理想极值12V。综上可知，在低电压高阶识别系数等于0.65的条件下，应用三相风力发电机的低电压穿越控制方法，确实能够抑制发电机局部电压高次项极值不断攀升。

4.3 发电机局部电压低次项极值对比

在低电压低阶识别系数等于0.37的条件下，以60min作为实验时间，分别记录该段时间内，应用实验组、对照组1、对照组2、对照组3的控制方法后，发电机局部电压低次项极值的变化情况，实验详情如图3-图6所示。

图3 实验组发电机局部电压低次项极值变化图

图4 对照组2发电机局部电压低次项极值变化图

图5 对照组2发电机局部电压低次项极值变化图

图6 对照组3发电机局部电压低次项极值变化图

对比图3-图6可知，实验组发电机局部电压低次项极值在整个实验过程中，始终保持较低的变化水平，78V是本次实验组出现的最大数值，与理想极值140V相比，下降了62V；对照组1、对照组2、对照组3发电机局部电压低次项极值全部呈现较高的变化水平，整个实验过程中出现的最大数值分别为146V、151V、149V，与理想极值140V相比，分别上升了6V、11V、9V，远高于实验组数值情况。综上可知，在低电压低阶识别系数等于0.37的条件下，应用三相风力发电机的低电压穿越控制方法，可以有效控制发电机局部电压低次项极值的上升幅度。

5 结论

三相风力发电机的低电压穿越控制方法在保留MPPT、PWM、PCC三种控制方法应用优势的基础上，对电压穿越关系进行定向分析，又通过穿越控制功率调节的方式，使新方法的控制精准性得到不断提升。从实用性角度来看，发电机局部电压的高、低次项极值均得到一定程度的降低，局部电压也不再出现异常过高现象，电子跳跃行为的发生几率得到良好控制。