雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略

李杰，趙鵬

（ 黃河水利職業技術學院 自動化工程系， 河南 開封 475004）

近年來，跟著風電機組在電網里所占比例的不斷增多及雙饋感應發電機在風力發電領域的廣泛應用， 電網對雙饋風電系統的并網要求越來越高，需要其具備故障穿越的能力[1-5]。 因此，對雙饋風電系統高電壓穿越節能控制策略的研究具有重要意義，已經成為相關學者研究的重點課題[6-10]。

研究雙饋風力發電系統高電壓穿越的節能控制問題，因為外部風力環境變化較大，需保持變換器的穩定性節能控制。 傳統節能控制方法不僅動態及穩態性能差，而且節能控制策略相對復雜[11-15]。

本文提出一種采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略，對串聯網側轉換器的限制向電機定子側及電網間增加正確的限制電壓，按照電網電壓定向的同步旋轉，給出d-q軸系下SGSC的電壓控制方程， 保持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈中的暫態直流分量。 當雙饋風電系統電壓及電流均不超限時，對轉子側變換器和并聯網側變換器的輸出電壓矢量進行節能控制，使雙饋風電系統為電網提供最大程度的無功支持，迅速復原電網電壓。 仿真測驗效果證明，所提戰略具備較高的節能限制功能。

1 電網電壓驟升時雙饋風系統(DFIG)機側暫態過程分析

為了分析雙饋風電系統的高電壓穿越（high voltage ride-through，HVRT）特質，首先需對理想電網電壓條件下DFIG的運行模型進行分析。將DFIG轉子側參數轉換成定子側， 同時依據電動機慣例，DFIG T型等效電路見圖1。

圖1 DFIG T型等效電路Fig. 1 DFIG T equivalent circuit

在理想電網下建立DFIG的暫態方程，其定子壓方程和定子磁鏈方程可描述如下：

式中：Usm、θ分別描述定子電壓幅值和相位。

通過圖1可獲取定、轉子電壓和磁鏈方程：

式中：us、ur分別用于描述定子、轉子電壓矢量；Rs、Rr分別用于描述定子、轉子電阻；is、ir用于描述定子、轉子電流矢量；ψs、ψr用于描述定子、轉子磁鏈矢量；ωr用于描述轉子角速度；Ls、Lr分別用于描述定子、轉子電感；Lm用于描述定子轉子的互感。

通過式（ 2）、式（ 3）獲取轉子電壓方程：

式中：σ=1-L2m/（ LsLr）。

將式（ 1）代入式（ 4）中，獲取靜止坐標系中轉子電壓矢量：

式中：s=（ ω1-ωr）/ω1，用于描述DFIG轉子轉差率。

分析式（ 5）可以看出，在正確電網電壓及穩定環境下，假如不解析定、轉子電流的功能，那么轉子電壓幅值及DFIG運轉轉差率成正比。 為了便于分析，假設DFIG轉子為開路，則通過式（ 2）、式（ 3）可獲?。?/p>

假設電網電壓在g=t0時刻出現高電壓穿越故障，故障后電網電壓幅值用Usm2進行描述，則通過式（ 1）可獲?。?/p>

式中：τ=Ls/Rs用于描述定子時間常數。

不分析定子電流，當t≥t0時，將式（ 7）代入式（ 4）中，獲取靜止坐標系下電網電壓穿越故障時DFIG轉子上的感應電壓：

利用坐標系的轉換將其轉換到轉子速旋轉坐標系，則有：

分析上式可知，當雙饋風電系統出現高電壓穿越故障時，在轉子上的感應電動勢主要包括以轉差角頻率sω1旋轉的交流分量和以轉子速角頻率ωr旋轉的交流分量。

因為外部風力環境變化較大，需保持變換器的穩定性節能控制，上述分析的節能控制方法不僅動態及穩態性能差， 而且節能控制策略相對復雜，為了提高節能控制效果，提出一種采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略。

2 采用串聯網側變換器（ SGSC）的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略

雙饋風電系統高電壓穿越時，對SGSC的輸送電壓矢量實行節能限制， 維持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈里的暫態直流分量，達到預防電磁轉矩及輸送功率波動的目標。 另一方面，當雙饋風電系統電壓及電流均不超限時，對轉子側轉換器（ rotor sideconverter，RSC） 及 并 聯 網 側 轉 換 器（ parallel grid side converter，PGSC）的輸送電壓矢量進行節能控制，使雙饋風電系統為電網提供最大程度的無功支持，快速恢復電網電壓。

2.1 SGSC的節能控制

當電網電壓驟升時，SGSC把預防DFIG 定子端電壓產生變化當作限制對象，維持電機定子電壓矢量為高電壓穿越故障前的電壓矢量。 所以，需利用對串聯網側變換器的控制向電機定子側及電網之間增加正確的限制電壓，讓發電機定子電壓處在高電壓穿越障礙的形態，也就是

式中：us用于描述非故障期間發電機定子端電壓矢量；u′s用于描述障礙期間發電機定子端電壓矢量。

雙饋風電系統平常工作時，DFIG 定子端電壓us是限定電壓，在根據電網電壓定向的正向一起旋轉d-q軸系下，對SGSC實行限制，讓高電壓穿越障礙進程里定子電壓矢量維持障礙前的形態不變。 障礙進程里定子電壓矢量可表示為

式中：usd、usq分別用來表示正常運轉進程里定子端電壓矢量的d、q軸分量；、分別用來表示障礙期間電子端電壓矢量的d、q軸分量；Vsm用來表示正常作事時定子電壓矢量幅值。

根據電網電壓定向的一起扭轉，d-q 軸系下SGSC的電壓限制方程可描述成：

式中：uscd、uscq分別用來表示以電網電壓定向的正向同步扭轉d-q軸系下SGSC限制電壓的d、q軸分量；Kp1、τi1分別用于描述PI控制器的比例系數與積分時間常數。

2.2 RCS的節能控制

在對故障電網進行補償時，GSC已輸出部分無功電流，則DFIG定子側輸出的無功電流Isq需符合：

式中：IN用于描述DFIG額定電流。

依據DFIG定子側輸出無功功率方程可獲取當前RCS無功電流：

式中：Ls、Lm分別用于描述DFIG定子電感與定轉子間互感。

需注意，電網電壓驟升時，在達到式（ 13）所需的條件下， 若RSC容量依舊存在盈余則還需進行有功功率節能控制，避免機組轉速升高及雙饋風電系統頻率的震蕩。 當前定子側輸出有功功率可通過下述過程進行調整。

為了使直流環節輸入輸出功率達到平衡，有：

考慮到工程設計中RSC容量通常會高于GSC，因此電壓驟升時，RSC輸出的有功功率Pr主要取決于當前GSC 所能輸入的最大有功功率Pgmax。正轉同步旋轉坐標系下DFIG定子有功功率Ps可通過下式求出：

假設Us=Ug，則結合式（ 15）、式（ 16）可獲取電壓驟升期間RSC 允許通過的有功電流值：

為了保持不超過RSC的電流耐量Prmax，DFIG轉子有功電流必須符合下述條件：

綜合式（ 16）、式（ 17）即可獲取HVRT期間RSC輸出有功電流指令最大值：

式中：min{}用于描述取小值運算。

2.3 PGSC的節能控制

電網電壓驟升時，網側變換器依舊以穩定直流母線電壓Udc作為節能控制目標， 因為發生障礙時PGSC所連電網電壓的幅值增大， 為了達到PGSC的修改條件，PGSC需根據電網電壓驟升的幅度汲取局部無功功率。在PGSC運用電網電壓定向矢量節能限制形式同時不解析進線電阻Rg的情況下， 其穩態電壓方程可描述成：

式中：Ug用于描述電網電壓合成矢量的幅值；Lg用于表示PGSC的進線電感；Vgd和Vgd分別用來表示PGSC交流側輸送電壓的d軸和q軸分量；Igd和Igq分別用來表示PGSC電流的d軸和q軸分量。

根據矢量調節理論， 當沒有產生過調節時，調制比需符合下述條件：

結合式（ 20）、式（ 21）可獲?。?/p>

在達到調節比條件一起可維持直流母線電壓不變的要求下，PGSC所需的無功電流最小值Igqmin可描述成：

因為電網電壓驟升時，PGSC無功輸送重點和電網電壓的驟升幅度相關，則HVRT 期間PGSC需從電網汲取的最小無功功率Qgmin可描述成：

雙饋風電系統高電壓穿越期間，PGSC的無功功率給定值可通過式（ 24）求出，保持故障期間直流母線電壓值不變，為整個過程所有變流器的節能控制提供穩定的直流母線電壓支持。

3 仿真實驗分析

為了驗證本文提出的采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略的有效性， 需要進行相關的實驗分析。 實驗在Matlab/Simulink中將表1描述的2 MW 雙饋風電機系統參數為例進行仿真，同時將傳統采用并網逆變器的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略作為對比進行實驗。

圖2 描述的是采用傳統策略和本文策略系統側變換器輸出電壓調制波比較結果， 圖3描述的是采用2種不同策略時，系統側變換器電流dq軸分量和直流母線電壓比較結果， 從而得出2種策略的系統響應結果，上述2個實驗均在電網電壓驟升至1.08 pu，Requ=60 Ω的情況下進行。

圖2 側變換器輸出電壓調制波Fig. 2 Output voltage modulation wave at the side of converter

圖3 側變換器電流dq 軸分量和直流母線電壓Fig. 3 dq axis component and dc bus voltage at the side converter current

分析圖2、圖3可以看出，雖然傳統節能控制策略和本文節能控制策略下系統均可控，但采用本文節能控制策略能夠大大降低輸出電壓，從而增加控制裕度，并且本文策略所提供的無功電流也有助于降低電網電壓的驟升幅度。

4 結論

本文提出一種采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越的節能控制策略，對串聯網側轉換器的限制向電機定子側及電網間增加正確的限制電壓，按照電網電壓定向的同步旋轉，給出d-q軸系下SGSC的電壓控制方程， 保持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈中的暫態直流分量。 當雙饋風電系統電壓及電流均不超限時，對轉子側變換器和并聯網側變換器的輸出電壓矢量進行節能控制，使雙饋風電系統為電網提供最大程度的無功支持，快速復原電網電壓。 仿真測驗結果證明，所提策略具備較高的節能限制功能。

[1] 李俊杰， 蔣昆， 劉國平，等. 采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越控制策略[J]. 電網技術， 2014， 38（ 11）: 3037-3044.LI Junjie， JIANG Kun， LIU Guoping， et al. High voltage ride-through control strategy of doubly-fed induction generator based wind turbines with a series grid-side converte[J]. Power System Technology，2014，38（11）:3037-3044（ in Chinese）.

[2] 謝震， 張興， 宋海華， 等. 電網電壓驟升故障下雙饋風力發電機變阻尼控制策略[J]. 電力系統自動化， 2012，36（ 3）: 39-46.XIE Zhen， ZHANG Xing， SONG Haihua， et al. Variable damping based control strategy of doubly fed induction generator based wind turbines under grid voltage swell[J].Automation of Electric Power Systems， 2012， 36（ 3）: 39-46（ in Chinese）.

[3] 徐海亮， 章瑋， 陳建生， 等. 考慮動態無功支持的雙饋風電機組高電壓穿越控制策略[J]. 中國電機工程學報，2013，（ 36）: 112-119.XU Hailiang，ZHANG Wei，CHEN Jiansheng，et al.A highvoltage ride-through control strategy for DFIG based wind turbines considering dynamic reactive power support[J].Proceedings of the CSEE，2013（ 36）:112-119（ in Chinese）.

[4] 楊智博， 高陽， 李洪霞. 基于MOA的串聯電容補償過電壓保護研究[J]. 電瓷避雷器， 2011（ 2）: 30-34.YANG Zhibo，GAO Yang，LI Hongxia.Study on overvoltage protection of series capacitance compensation based on MOA[J]. Insulators and Surge Arresters，2011（ 2）: 30-34（ in Chinese）.

[5] 劉京波， 朱斯， 吳宇輝，等. 雙饋風電機組高電壓穿越控制策略研究[J]. 華北電力技術， 2015（ 2）: 29-33.LIU Jingbo，ZHU Si， WU Yuhui， et al. A high-voltage ride-through control strategy for DFIG of wind turbines[J].North China Electric Power，2015（ 2）:29-33（ in Chinese）.

[6] 胡書舉， 趙棟利， 趙斌，等. 雙饋風電機組低電壓穿越特性的試驗研究[J]. 高電壓技術， 2010， 36（ 3）: 789-795.HU Shuju， ZHAO Dongli， ZHAO Bin， et al. Experimental research on LVRT capability of DFIG wind turbine[J].High Voltage Engineering， 2010， 36 （ 3）: 789-795（ in Chinese）.

[7] 張占安， 蔡興國. 考慮碳排放權交易的短期節能調度[J]電網與清潔能源， 2012（ 1）: 60-66.ZHANG Zhan’an， CAI Xingguo. Short-term energysaving schedule with carbon emission trading considered[J].Power System and Clean Energy， 2012（ 1）: 60-66（ in Chinese）.

[8] 徐海亮， 章瑋， 賀益康， 等. 雙饋型風電機組低電壓穿越技術要點及展望[J]. 電力系統自動化， 2013， 37（ 20）:8-15.XU Hailiang， ZHANG Wei， HE Yikang， et al. A review on low voltage ride-through technologies and prospect for DFIG wind turbines[J]. Automation of Electric Power Systems， 2013， 37（ 20）: 8-15（ in Chinese）.

[9] 曹麗華， 崔琬婷， 徐皎瑾， 等. 熵權模糊物元模型應用于火電廠節能減排綜合評價[J]. 熱力發電， 2015， 1（ 44）: 54-57.CAO Lihua， CUI Wanting， XU Jiaojin， et al. Application of entropy weight based fuzzy matter model element in comprehensive evaluation of energy saving and emission reduction in power plants[J]. Thermal Power Generation，2015，1（ 44）: 54-57（ in Chinese）.

[10] 蔚蘭， 陳宇晨， 陳國呈， 等. 雙饋感應風力發電系統直接功率綜合控制策略[J]. 高電壓技術， 2011， 37（ 7）:1818-1824.WEI Lan， CHEN Yuchen， CHEN Guocheng， et al. Combination control strategy for double-fed induction generator（ DFIG） wind power system using direct power control[J].High Voltage Engineering， 2011， 37（ 7）: 1818-1824（ in Chinese）.

[11] 張森峰， 商立群. 并聯電容器組分閘重燃過電壓仿真[J].高壓電器， 2011（ 12）:1-5.ZHANG Senfeng， SHANG Liqun. Simulation of restrike overvoltage due to switching off shunt capacitor bank[J].High Voltage Apparatus， 2011（ 12）: 1-5（ in Chinese）.

[12] 馬佳騮. 基于Crowbar電路的雙饋機低電壓穿越特性仿真分析[J]. 洛陽理工學院學報：自然科學版， 2012， 22（ 3）:54-58.MA Jialiu. Simulation analysis of low voltage traversal characteristic on crowbar-based doubly-fed generator[J].Journal of Luoyang Institute of Science and Technology:Natural Science Edition，2012，22（ 3）:54-58（in Chinese）.

[13] 栗然， 李增輝. 雙饋感應發電機低電壓穿越后機端高電壓現象分析[J]. 現代電力， 2013， 30（ 1）: 55-59.LI Ran， LI Zenghui. Analysis on the terminal high voltage of doubly fed induction generator after occurring low voltage ride through[J]. Modern Electric Power， 2013， 30（ 1）: 55-59（ in Chinese）.

[14] 丁勝， 肖楚鵬， 邱澤晶， 等. 無功補償并聯電容最優節能分布模型研究[J]. 電力電容器與無功補償， 2014， 2（ 35）: 29-32.

DING Sheng，XIAO Chupeng， QIU Zejing， et al. Study on optimal energy-saving distribution model of reactive power compensation shunt capacitor[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation， 2014， 2（ 35）: 29-32（ in Chinese）.

[15] 宋紹樓， 陳龍虎， 賈智仁， 等. 雙饋風力發電系統功率解耦控制策略仿真研究[J]. 計算機仿真， 2012， 29（ 2）:328-331.SONG Shaolou，CHEN Longhu，JIA Zhiren，et al.Simulation on power decoupling control of doubly-fed wind power generation system[J]. Computer Simulation， 2012， 29（ 2）:328-331（ in Chinese）.