从控制策略提高风电机组故障穿越能力

从控制策略提高风电机组故障穿越能力0引言大规模风电接入电网给电网安全运行和管理带来了较大的挑战。

为此，新的电网规范要求风电机组应保证具备故障穿越（Fault Ride Through, FRT）能力。

因此，研究风力发电故障穿越的问题具有重要的理论和实际意义，关系着风力发电进一步发展，是风力发电大规模并网运行的关键技术之一。

在众多的风力发电拓扑结构中，由于双馈风电机组具有的诸多优点和良好的运行性能，其一直占据着世界风电市场的主要份额，是国际风力发电机组研制的主流技术之一。

然而，和其他结构的机组相比，双馈感应电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）风电系统的故障穿越能力最具挑战性。

主要是双馈感应电机定子绕组直接接入电网而导致的对电网故障尤其是电压故障特别敏感和有限的变换器容量造成的。

因此，改善双馈风电机组故障期间的瞬态行为以满足现代电网所提的故障穿越要求正在成为广泛关注的焦点，具有重要的理论和实际意义。

当双馈风电机组遭受对称电压跌落时，为满足双馈机组故障穿越要求需要解决的两个主要问题是双馈电机转子过电流和变换器直流母线过电压。

而这直接威胁着变换器的安全和双馈机组的不间断并网运行。

1双馈感应风力发电系统故障穿越技术现状风电机组是否能够遵守新的电网导则在很大程度上与现代风力发电相关技术的发展及其自身特点有关。

任何结构的风电机组都面临着故障穿越能力所带来的挑战。

然而，不同的机组类型，其故障穿越能力不尽相同。

在众多风力发电拓扑结构中，作为主流机型的双馈机组故障穿越能力最具挑战性。

这主要是因为在此结构中，双馈电机的定子绕组直接接入电网，其对电网故障尤其是电压故障特别敏感，同时，其故障穿越能力也受其转子侧功率变换器额定容量和电流控制能力的限制。

当双馈风电机组接入的电力系统发生短路故障时，将会引起双馈感应电机定子端电压跌落。

从电磁祸合的角度考虑，这个电压跌落将首先导致电机定子电流的增加，由于磁链瞬间不能突变的特点，定子磁链中将感应出直流分量，如果是不对称故障，还将存在负序分量，其切割转子绕组会产生较大的反感应电动势，导致转子电流振荡，其幅值可达到额定值的4-10倍。

从能量守恒的角度出发，在电网电压突然跌落期间，由于风速不会发生大的变化，可以认为故障期间风力机捕获的风能基本恒定，待其转化成电能后由于电网电压较低而不能把电能全部输送到电网，这个能量不平衡将首先导致机组转速增加，使得流经转子侧变换器的转差功率增加，进而导致转子电流增加。

转子故障电流流进背靠背功率变换器时，给直流侧电容器充电，导致直流母线电压增加。

如果不及时采取有效措施的话，转子过电流将破坏转子侧功率变换器，而直流侧过电压将造成变换器直流母线的破坏。

同时，定转子电流的大幅波动也会造成双馈风电机组电磁转矩的剧烈震动，对系统机械部分产生较大的应力冲击。

事实上，相比于对称电网故障，不对称电网故障在实际电力系统运行中发生的概率更高，其对双馈机组乃至电力系统的危害更大。

当双馈风电机组遭受不对称电网电压跌落故障时，除了出现过电流外，更重要的问题是双馈电机中产生的不平衡的定、转子电流会导致绕组产生不对称发热从而危及电机绝缘，无功和有功功率中产生的二倍频振动影响系统稳定运行，以二倍频脉动的电磁转矩破坏机组轴系以及直流侧产生电压纹波等问题。

针对以上问题，科研人员近几年作了大量的工作，从不同角度，改善和提出了各种不同的方法和措施来加强双馈风电机组的故障穿越能力。

总的来讲，双馈风电机组故障穿越技术路线大体上可以分为如下三大类:1)基于控制算法的故障穿越方案，此类方法的落脚点是不增加额外的设备，在机组己有设备的基础上通过改进控制策略，提升机组故障穿越能力的方案。

比如改善和设计特定的控制策略、调整功率变换器功能等。

该类方法通常不需要额外的硬件电路，具有成本低，机组结构简单的特点，但其控制往往比较复杂，其性能比如鲁棒性很大程度上依赖于系统一定的参数评估和控制参数的合适设计。

因此，其改善机组故障穿越性能的能力受到一定的限制，仅适用于电压跌落不太严重的情况。

2)基于附加电路的故障穿越方案，这种方法通常利用额外的硬件电路，针对机组变量本身，比如定子电压和电流，更多的是针对转子电流本身，而进行的一种故障穿越技术。

该方法较适合电压跌落严重的情况。

但该方法存在的问题有:任何保护电路本身对于双馈机组和电力系统来说都是一种扰动;额外的硬件电路的使用将导致系统结构更加复杂、成本更高、维护更难。

3)结合或协调的故障穿越方案，该类方法是针对上述两种故障穿越措施的优缺点，充分利用机组己有设备，尽可能的不用或少用额外的附加设备，和更简单的控制策略相结合的一种方法。

该类方法有希望成为故障穿越技术发展的趋势，值得深入研究和探讨。

2转子侧变换器控制技术2.1前馈电压补偿项对机组故障穿越能力的影响评估在转子瞬态故障电流中，由于电磁耦合而在转子绕组中产生的感应电动势对转子故障电流具有重大影响。

而在传统的双馈机组转子侧变换器矢量控制技术中，比如定子磁链定向的矢量控制中，为了实现解耦控制，通常把反映dq轴耦合的感应电动势作为扰动前馈后去补偿控制电压，以加强系统的控制性能。

然而，由于在设计控制策略的时候，是基于电网运行工况正常的前提下的，因此，前馈电压补偿项中，不够精确，使得机组仅在正常的电网运行条件下具有良好的动静态性能。

一旦正常的电压运行条件被破坏，其控制性能将大打折扣，最终将影响双馈机组故障穿越能力的改善。

因此，基于转子侧变换器定子磁链定向的矢量控制技术，需要进一步分析不同精度的前馈电压补偿项对机组故障穿越能力的影响，从而提出改进的措施以便能够加强双馈机组故障穿越的能力。

2.2基于滞环PWM控制的故障穿越控制策略双馈感应电机的动态特性具有非线性的特点，线性控制策略不能很好的改善其在电压跌落状况下的瞬态性能。

因此，可以利用非线性的控制器来提高其在此条件下的瞬态性能。

有各种各样复杂的非线性控制策略，然而，简单的、典型的非线性控制之一就是所谓的滞环控制，即当电流偏差超越滞环宽度时，主电路功率开关管切换，并迫使电流偏差减小，其基本控制回路如下图所示：在传统的定子磁链定向的矢量控制中，基于PI调节器的电流内环控制存在如下缺点:变换器的离散运行没有考虑，同时双馈电机被模型为一个线性时不变的系统。

在这种情况下，PI调节器的参数可以通过小信号分析的方法来调整。

因此，控制系统仅在特定的运行条件下是有效的，如果运行条件发生变化的话，系统响应将发生偏离。

这意味着在较宽的运行范围内，整个控制系统不是最优的。

尤其是对于双馈风力发电系统而言，这个问题尤为重要，因为按照目前的电网导则，要求双馈机组能够不间断并网运行即使系统运行条件发生了较大变化，比如电网电压故障。

因此，必须精心的设计PI调节器参数以兼顾系统在整个运行范围内的稳定性和在瞬态条件下的动态响应之间的矛盾。

而这必将危害电网电压故障条件下整个矢量控制系统的瞬态性能和稳定性。

而滞环控制最大的特点就是采用瞬时值比较的方式，尽管存在由于开关频率变化而导致的谐波畸变较大、滤波器设计困难等缺点，但由于其具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、不依赖负载参数和无条件稳定等优点而被广泛的使用。

正是基于滞环控制所具有的上述优点的考量，理论上，利用滞环控制器代替转子侧变换器矢量定向控制中电流内环控制所采用的传统PI调节器，有助于双馈风电机组故障穿越能力的提升。

而关于其存在的开关频率变化的缺点却可通过变滞环宽度的方式加以解决。

基于滞环控制器的双馈机组转子侧变换器转子电流控制系统结构如下图所示。

其基本思路是:在定子磁链定向的矢量控制中，通过无功有功外环控制分别获得电流内环控制转子电流参考值dq轴的分量，然后通过坐标变换，将其转换至三相自然坐标系中，分别减去其相应的测量值，所得差值作为电流滞环比较器的输入，开关状态可根据电流滞环比较器的输出获得。

2.3基于减负荷的故障穿越方案目前，关于双馈电机在电网电压故障期间的转子过电流原因的分析主要是基于其自身定转子电磁耦合关系的基础上讨论的。

简单的说，就是定子电压跌落，引起定子磁链振荡，由于定转子电磁祸合，在转子绕组中产生较大的瞬时感应电动势，最终导致转子过电流。

正是基于这样的分析结果，近年来，人们提出了各种不同的故障穿越方案。

事实上，当双馈电机机端遭受电压跌落故障时，定转子产生过电流的根源，从能量守恒的角度考虑，是因为故障期间，风力捕获的风能基本不变，而双馈电机产生的大量电磁功率却不能传输到电网，破坏了定转子侧能量转换过程中的平衡状态。

因此，如何缓减故障期间能量的不平衡，成为解决双馈机组故障穿越问题的关键所在。

通常，对于双馈风力发电系统而言，减负荷是用来提高其一次调频能力的然而，在这里，则是用来缓减故障期间双馈风电系统能量转换过程中的不平衡，从而提高其故障穿越能力的。

对于减负荷，通常有两种途径可以实现。

一种是变桨距角即所谓的变桨控制，其主要是通过增大桨距角来减少风轮输出机械功率，从而减轻故障期间双馈风电系统的能量的不平衡。

另一种方法是所谓的增速法，也就是说通过增加转子转速，让风轮运行在非最大功率跟踪点，使其输出机械功率的多余部分转换为系统动能，从而减少双馈电机的输入功率，缓减有功功率的不平衡。

然而，这两种方法相比较而言，增速法在特定场合下具有以下优势:一是增速法替代桨距控制时可减少频繁变桨对机械装置的磨损;二是转速控制基于交流变频控制技术，其控制速度远比桨距控制快。

但增速法的减载能力受系统转速上限值的限制，因此，系统在不同的风速运行条件下，其减载的能力不同。

目前，基于上述原理，发展了几个双馈型风电机组故障穿越方案。

事实上，该方案的关键问题就是如何计算故障期间有功参考指令的问题。

有学者提出，一旦发现电网电压故障，仅简单地设置有功和无功参考值到零。

而还有学者提出，则是在发现电网故障时，设置转子电流dq分量参考指令为零，省去了功率控制外环，加快了系统响应速度。

同时指出故障切除后，要考虑几百毫秒的延时，以避免此时有大的瞬态出现。

然而，上述两种思路没有专门讨论此方案。

又有学者提出，无功控制通道仍然采用标准的控制方式，仅在有功控制通道，在发现电网故障时，设置电流内环控制参考值为零。

并指出，通过变桨控制，确保系统转速在规定的范围之内。

在电网故障期间，在有功控制通道利用转子q轴电流实时跟踪定子q轴电流的途径来实现减载控制，缓减功率不平衡，从而使得双馈机组成功穿越电网故障，实现不间断并网运行。

3小结本文重点分析和比较了三种不同的双馈机组故障转子侧变换器控制策略，以便加强双馈机组的故障穿越能力穿。

主要的内容和结论是：·传统矢量控制在电网故障时，双馈机组瞬态性能恶化。

为此，在传统定子磁链定向的矢量控制中，在前馈电压补偿项中考虑定子瞬态的影响，改善了双馈机组的故障穿越能力。