基于转子无功电流动态调整的DFIG 全过程高电压穿越策略

2022-11-28刘伯文丁睿婷程雪婷

电力系统自动化 2022年22期

张旭，王怡，刘伯文，丁睿婷，刘江，程雪婷

（1. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206；2. 国网山西省电力公司电力科学研究院，山西省太原市 030001）

0 引言

高比例可再生能源将成为新型电力系统电源侧的主要特征［1］。随着风电渗透率的提升，风电接入对电网可靠性和稳定性的影响备受关注。双馈变流器的拓扑结构使得双馈感应发电机（doubly-fed induction generator，DFIG）在风力发电中应用广泛。DFIG 的基本结构中，定子直接与电网相连，来自电网的扰动可能危及机组安全，甚至引发大面积连锁脱网［2］。事故研究表明，大规模脱网的典型过程为风电机组低压脱网、场内电压升高、机组高压脱网。其中，高压脱网的风机数量甚至与低压脱网的相当［3］。

引发电网电压骤升的原因可分为两类：一是电容器投入、负荷切除、直流闭锁等事件引起的高电压［4］；二是短路故障切除后，电压恢复过程中出现无功功率过剩导致的过电压。故障发生时，风机难以维持并网点电压，且其中电力电子设备过流耐受能力弱于同步发电机［5］。当前，DFIG 的高电压穿越（high voltage ride-through，HVRT）研究可分为两类：改进变流器控制和添加硬件保护［6］。本文聚焦于改进变流器控制策略。

已有较多学者对DFIG 的转子侧变流器（rotorside converter，RSC）和网侧变流器（grid-side converter，GSC）控制提出了改进方法。文献［7］利用DFIG 转子电压补偿项抑制转子过电流，并提出了考虑动态电压区间的无功支撑方法。文献［8］提出基于谐振控制器的主动灭磁控制方案，以控制定子磁链直流分量、负序分量。文献［9］提出了一种虚拟阻抗控制策略，能有效抑制转子电流和转矩振荡。文献［10］提出了结合模糊控制和动态虚拟电阻的HVRT 方法。通过分析直流双极闭锁对DFIG 的影响，文献［11］研究了电压骤升时DFIG 电流的可行域，并提出基于模型预测控制的HVRT 方法。文献［12］建立以最小化各风机端电压波动为目标的优化问题，提出了一种基于模型预测控制的故障穿越有功、无功控制策略。文献［13］提出了协同GSC无功补偿和RSC 去磁电流的HVRT 策略。文献［14］提出RSC 附加阻抗控制、GSC 双闭环矢量控制的协调控制策略。文献［15］提出GSC 无功功率优先、RSC 引进转子附加阻尼的控制策略，以减轻机组转矩振荡。基于RSC 和GSC 协同的动态无功控制是实现HVRT 的基本思路，但现有文献大多仅考虑HVRT 的部分过程，即持续高电压过程或电压骤升/恢复的瞬间。

近年来，相关学者对DFIG 的HVRT 全过程开展了研究。文献［16］分析了定子磁链、转子感应电压和转子电流的暂态过程，并进行了实验验证；文献［17］分析了直流换相失败时DFIG 的暂态特性，并提出了适用于换相失败的故障穿越方法。文献［18］分析并量化了电网电压骤降恢复阶段对DFIG 的暂态冲击；文献［19］分析了HVRT 期间DFIG 定子磁链暂态全过程，但提出的控制策略仅在骤升程度较轻时可行，在机端电压升至1.3 p.u.时需配合其他方法实现HVRT。针对DFIG 的全过程HVRT 问题，尚未发现完善的研究成果。

针对上述问题，本文提出基于转子无功电流动态调整的DFIG 全过程高电压穿越策略。在暂态冲击抑制方面，考虑定子磁链对转子电流的影响，提出了定子磁链微分补偿方法，以在故障发生时快速响应，抑制转子过流；在无功控制方面，计及变流器控制可行范围，构建了转子电流无功分量动态调整方法。转子电流指令值在线计算和无功增益系数的设计能最大程度利用变流器容量，实现DFIG 对电网电压恢复的自适应无功支持。仿真结果表明，所提策略能在多种故障和工况下提高DFIG 的全过程HVRT 表现。

1 高电压期间DFIG 暂态过程分析

1.1 电网电压骤升时DFIG 定子磁链的暂态过程

高电压期间，DFIG 的定子磁链暂态过程分析如下。设风机稳态运行时机端电压矢量为UG，在高电压故障中，若电压骤升幅度为h，则机端电压可以表示为：

式中：UG为机端电压幅值；ω1为同步角速度。

同步速旋转的dq坐标系下DFIG 的等效电路如附录A 图A1 所示，附录A 式（A1）和式（A2）分别为其电压、磁链方程。假设t=0 时刻发生电压骤升，以UG(0)=UG为初始条件，由文献［19］可知，定子磁链矢量ψs的暂态表达式为：

式中：Rs和Ls分别为定子绕组电阻和电感。可见，电压骤升后，ψs可分为两个部分：一部分是以同步速旋转的交流（强制）分量，幅值为稳态磁链的1+h倍；另一部分是衰减的直流（自由）分量，衰减时间常数为定子时间常数Ls/Rs。

电网电压骤升时，DFIG 转子感应电动势的暂态分量由式（2）中ψs的自由分量产生，导致转子过电压、过电流，可能超过其限值，影响设备安全运行。转子中的不平衡能量流经RSC 之后，将对直流母线电容充电，导致直流电压过高［20］，威胁变流器安全。

1.2 电网电压骤升时GSC 无功功率分析

DFIG 的GSC 主要作用之一是维持直流母线电压的稳定，并且有吸收或发出无功功率的能力，其主电路如附录A 图A2 所示。经过坐标变换，在同步速旋转的dq坐标系下，GSC 的电压方程和有功、无功功率Pg、Qg分别为：

式中：ugd和ugq分别为GSC 电压d、q轴分量；igd和igq分别为GSC 电流d、q轴分量；vgd和vgq分别为GSC交流侧电压的d、q轴分量；Lg和Rg分别为GSC 进线电感、电阻。

采用基于电网电压定向（grid voltage orientation，GVO）的GSC 控制，且d轴定向于定子电压矢量Us时，有ugd=Us，ugq=0，其中Us为定子电压幅值。

对于式（3）中的ugd，令Δugq=Lgdigq/dt，可得式（5）；对于式（4）中的Qg，忽略电阻Rg，可得式（6）：

由式（5）和式（6）可得：

稳态时，Δugd=0，GSC 的无功功率Qg可以通过vgd来调节。但电压骤升时，Δugd≠0 且不能忽略。

变流器中的功率器件（如绝缘栅双极型晶体管（IGBT））是DFIG 中对高电压最敏感的器件，其耐压能力有限，过高的直流母线电压将导致功率器件的损坏。电网高电压期间，若控制GSC 吸收一定的感性无功电流，不仅可以在进线电感上分压，避免变流器直流母线直接承受过高的电压，还可以为电网电压恢复提供支持。

1.3 电网电压骤升时转子电流的暂态过程

基于DFIG 定子磁链与定转子电流的关系，稳态时，定子磁链保持不变，与同步速dq坐标系中的DFIG 磁链方程联立可得稳态时转子电流d、q轴分量ird、irq的表达式为：

式中：isd和isq分别为定子电流的d、q轴分量；Lm为定转子间互感。

发生高电压故障时，定子磁链发生变化，则有：

式中：usd和usq分别为定子电压的d、q轴分量；ψsd和ψsq分别为定子磁链d、q轴分量；D 为微分算子。由式（8）和式（9）对比可知，电压骤升时，定子磁链的微分项Dψsd和Dψsq对转子电流产生冲击，可能导致转子的瞬间过电流；除上述微分项，表达式中的其余项决定了持续高电压期间转子电流的给定值。也就是说，高电压故障给DFIG 带来的问题包括：1）电压骤升瞬间的转子电流过冲问题；2）持续高电压期间的转子电流控制问题。因此，针对这两个问题，本文将RSC 的全过程HVRT 控制分为两部分，并相应提出了转子电流定子磁链微分补偿方法和无功分量的动态调整方法。

2 DFIG 的HVRT 控制策略

基于第2 章中对暂态过程的理论分析，对两个变流器的控制做出相应的改进。

由1.2 节可知，在高电压期间，GSC 控制的关键在于吸收感性无功电流，以避免直流母线承受过高的电压。因此，在2.1 节中提出了GSC 无功电流的比例-积分（PI）控制，以加快响应速度，保证直流电压不越限。

由1.3 节可知，通过RSC 控制定子侧吸收无功电流，且抑制转子电流的波动，是DFIG 实现HVRT并提供无功支撑的关键。在2.2 节中，设计了转子电流q轴分量动态调整方法，实现在不超过容量约束的情况下，控制定子注入无功功率以便电网电压恢复；针对电压骤升瞬间的转子电流过冲，在2.3 节中通过定子磁链微分补偿，对转子电流暂态波动进行抑制。

2.1 GSC 电流无功分量PI 控制

GSC 的传统控制策略常采用电网电压定向的方法，GSC 的控制可以分为直流母线电压外环和电流内环控制。基于电网电压定向时，外环直流母线电压控制器监测直流母线电压的偏差，输出GSC 电流d轴分量，即有功分量的参考值；结合输入电流无功分量，即GSC 电流q轴分量，对功率因数进行控制。

考虑PI 控制能够在扰动发生时快速响应，本文提出在GSC 控制中添加电流无功分量PI 控制模块，使GSC 可以在高电压故障发生时快速响应，吸收感性无功电流，保持直流电压的稳定。监测到电网电压上升至标称值以上时，无功电流给定值不为0，而是通过机端电压幅值与额定值比较，经过PI 调节器后得到GSC 无功电流给定值，如式（10）所示。

式中：Kp为比例系数；Ki为积分系数；ΔUG为机端电压UG与标称值的偏差。

需要注意的是，GSC 吸收或输出的功率不应超过变流器的最大电流限值Ig，max，所以GSC 的无功电流应该满足：

式中：Igq为GSC 的无功电流有效值；Igd为GSC 电流d轴分量的有效值。在GSC 控制中，还需要设置限幅环节，防止GSC 功率超过其容量。

改进的GSC 控制策略如图1 所示，其中，为GSC 电流有功分量的参考值；为机端电压幅值的参考值；和分别为GSC 交流侧电压d、q轴分量参考值。检测到机端电压大于额定值后，采集电压偏差输入PI 调节器，控制GSC 吸收无功电流，以降低变流器直接承受的电压，并由限幅环节将无功电流给定值限制在变流器容量范围内。

图1 引入PI 控制的GSC 控制框图Fig.1 Control block diagram of GSC with PI control

2.2 转子电流q 轴分量的动态调整

GSC 容量较小，约为风机容量的1/3，仅靠GSC无法满足无功支撑的要求，还需要控制定子提供无功支撑。RSC 控制通常采用定子磁链定向控制，包括功率外环和电流内环的双闭环结构，通过内环电流调节器得到转子电压参考值，输出转子电压的脉宽调制（PWM）控制信号。控制转子电流q轴分量就可以控制DFIG 向电网输出的无功功率。

对于高电压期间转子无功电流的动态调整，需要考虑测试规程对风机无功支撑的要求，以及GSC的无功电流和定子无功电流的极限值。

1）转子电流q轴分量动态调整方法

RSC 采用定子电压定向（stator voltage orientation，SVO）矢量控制，且定向于d轴时，定子电压Us与其d轴分量Usd相等，且有ψsd=0；稳态时有Dψs为零，忽略定子电阻，由DFIG 矢量电压方程可得：

将式（13）代入DFIG 矢量磁链方程，可以得到转子电流q轴分量有效值Irq与电网电压、定子无功电流有效值Isq的关系式：

在GB/T 36995—2018《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》［21］中，对风机HVRT 期间的无功电流要求为：

式中：IGq为风机吸收的无功电流；Igq为GSC 无功电流有效值，由GSC 无功PI 控制输出得到；IN为风机额定电流。

定子的无功功率需要由RSC 控制来实现动态调整。DFIG 定子有功功率Ps、无功功率Qs的表达式为：

将式（14）代入式（16），可以得到Qs与irq的关系式：

可见，DFIG 的定子无功电流由irq控制。联立式（15）—式（17），可以得到HVRT 期间irq的限制条件为：

为充分利用定子的无功调节能力，并适应不同情况（电网条件、风机型号等），引入无功增益系数K（K≥1），则高电压期间irq动态给定值可以写为：

发生高电压故障时，检测电网电压，并结合PI控制给定的GSC 无功电流，便可得到irq的动态给定值。K值越大，定子侧吸收的无功功率越多，支持电网电压恢复的效果越好。

2）定子无功电流极限值计算

同时，对定子无功的控制还应考虑定子侧的容量限制。对转子电流进行控制时，也受到转子绕组容量的约束，转子电流Ir不应超过转子电流极限值Ir，max：

式中：Ird和Irq分别为转子电流d、q轴分量的有效值。

由式（9）和式（16）可得如下关系式：

将式（21）代入式（20）可得：

Ir取最大值Ir，max时，定子无功电流Isq的极限值为：

由式（14）和式（23）可得Irq的极限值如下：

式（19）中irq的指令值不应超过式（24）约束的范围。

发生高电压故障时，GSC 侧PI 控制快速响应，控制GSC 吸收无功电流，并将igq的值输入RSC 指令值计算模块，实现转子电流q轴分量irq的动态调整，控制定子注入感性无功电流，实现DFIG 对电网电压恢复的无功支撑。

2.3 RSC 定子磁链微分补偿方法

电网电压的骤升会引起DFIG 剧烈的暂态过程，可能造成转子的过电流，甚至风机脱网事故。为抑制转子电流的波动，在式（9）的ird与irq中增加定子磁链的微分项Δird、Δirq：

其中，Δird和Δirq可以由磁链观测模块和微分计算模块获取［22］。考虑到单纯的微分计算会导致系统振荡，本文采用高通滤波器求取上述转子电流补偿项。考虑稳态时磁链没有变化，这个方法不会对风机的稳态运行产生影响。如图2 所示，在ird和irq中加入定子磁链的微分补偿项Δird、Δirq，以抑制电压骤升过程给转子电流带来的冲击。

2.4 RSC 的HVRT 控制框图

图2 RSC 控制框图Fig.2 Control block diagram of RSC

3 仿真分析

为验证本文所提HVRT 控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平台上搭建了并网风电场模型，附录A 图A3 为系统结构图，1.5 MW 机组的基本参数如附录A 表A1 所示。由于DFIG 转动惯量较大，机电时间常数远大于电磁时间常数，在故障过程中认为DFIG 转速恒定。

本文方法与传统控制策略的区别与联系在于：传统的基于电网电压定向的GSC 控制策略中，igq给定为固定值（通常为0）；本文的改进在于，添加GSC无功分量PI 控制模块，使GSC 可以在高电压故障发生时快速响应，吸收感性无功电流，不仅可以在进线电感上分压，避免直流母线直接承受过高的电压，还可以为电网电压恢复提供支持。传统的基于SVO 的RSC 控制策略中，irq仅基于定子电压变化给定；如式（19）所示，本文提出了计及GSC 无功电流的irq给定值动态计算方法，实现两变流器的联合控制。

为验证不同工况下的HVRT 性能，分别在大功率输出（P=1.0PN）和小功率输出（P=0.3PN）的情况下测试风电机组HVRT 过程的响应特性，对应风速分别为12 m/s 和5 m/s。

风机的故障穿越方法中，已有一类灭磁控制方法［23］，其思想是在转子电流中添加与定子磁链变化方向相反的电流，以增加系统阻尼，加快暂态过程衰减。本文对传统控制策略、灭磁控制中较新的方法［24］以及本文所提策略3 种方法进行了仿真分析及对比，分别简称为SVO+GVO、灭磁控制和所提策略。

图3 展示了DFIG 在大功率输出工况（P=1.0PN）下，分别采用SVO+GVO、灭磁控制以及所提策略（设置无功增益系数K=1.0）时，电压骤升至1.3 p.u.，持续200 ms 的HVRT 过程中机端电压、有功功率、转子电流q轴分量、GSC 电流q轴分量、无功功率和直流母线电压的暂态响应波形对比。从图中可以看出，电压骤升发生后，传统策略和灭磁控制下，GSC 电流变化不大；而在所提策略下，PI控制快速响应，GSC 电流q轴分量igq约为-0.4 p.u.，控制GSC吸收无功电流。同时，直流母线电压峰值由SVO+GVO 下的1 301 V 降低到1 253 V，抑制效果优于灭磁控制。由于磁链微分补偿的作用，转子电流q轴分量irq的瞬时峰值明显降低，由0.18 p.u.降低到0.11 p.u.，转子电流的暂态过冲得到有效抑制；在持续高电压期间，irq保持在（-0.1～0）p.u.之间，控制风机共吸收约（0.4～0.6）p.u.的感性无功功率；由式（15）可知，电压骤升至1.3 p.u.期间要求风机吸收无功功率不小于0.3 p.u.，可见所提策略满足测试规程对无功支撑的要求，为HVRT 提供了无功电流的支持，并使得机端电压由1.3 p.u.降低至1.285 p.u.；在整个高电压期间，DFIG 保持不脱网运行，验证了所提策略的有效性和可行性。

图3 大功率输出工况下采用SVO+GVO、灭磁控制和所提策略的DFIG 的HVRT 仿真结果Fig.3 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO, demagnetization control and proposed strategy under condition of high power output

图4展示了DFIG 在小功率输出工况（P=0.3PN）下，分别采用SVO+GVO、灭磁控制和所提策略（设置无功增益系数K=1.0）时，电压骤升至1.3 p.u.，持续200 ms 的HVRT 过程中机端电压、有功功率、转子电流q轴分量、GSC 电流q轴分量、无功功率和直流母线电压的暂态响应波形对比。从图中可以看出，在小功率输出工况下，由于定子有功功率输出较小，与大功率输出工况相比，定子吸收无功功率的能力更强，转子电流q轴分量irq的动态调整使定子吸收更多无功电流，使风机吸收的无功功率达到（0.50～0.67）p.u.，电网电压由1.3 p.u.减小到1.27 p.u.；GSC 电流q轴分量igq的绝对值由0.4 p.u.增大到0.6 p.u.，GSC 注入更多无功电流，直流母线电压峰值由1 301 V 降低到1 230 V。所提策略在小功率输出的工况下同样满足HVRT 的要求，且抑制暂态过程的效果更好。

图4 小功率输出工况下采用SVO+GVO、灭磁控制和所提策略的DFIG 的HVRT 仿真结果Fig.4 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO, demagnetization control and proposed strategy under condition of low power output

灭磁控制的实质是在转子控制中注入灭磁电流，增加系统阻尼，缩短暂态过程时间。灭磁电流的计算通常仅基于电网电压或定子磁链的变化［25］，未考虑GSC 的协同控制。所提策略将GSC 无功电流引入转子侧补偿电流计算中，以协调高电压期间两变流器的无功功率。实验中，所提策略的HVRT 性能优于灭磁控制和SVO+GVO。

图5 展示了无功增益系数K=1.5 时，采用SVO+GVO 与所提策略的DFIG 的HVRT 仿真结果。可以看出，无功增益系数K取值更大时，DFIG在高电压期间定子吸收了更多的无功功率，机端电压、直流母线电压得到了更有效的抑制。

图5 K=1.5 时采用SVO+GVO 与所提策略的DFIG 的HVRT 仿真结果Fig.5 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO and proposed strategy when K=1.5

图6 展示了发生a、b 两相电压骤升时，SVO+GVO 与所提策略的DFIG 的HVRT 仿真结果。在发生不对称故障时，风机的暂态振荡更加剧烈，所提策略快速响应，在控制DFIG 吸收约0.5 Mvar 感性无功功率的同时，有效地将直流母线电压的峰值由1 348 V 抑制到1 300 V，在多种故障情况下提高了风机的全过程HVRT 能力。