基于滑模控制器的双馈异步风力发电机组低电压穿越控制策略

赵长风

(三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

0　引　言

双馈异步风力发电机组因其高性价比的优势得到了广泛应用。随着风电装机容量逐年上升，世界各国电力系统对风电机组低电压穿越能力要求也越来越严格。对于双馈式风力发电机组,当电网发生故障容易导致风力发电机机端电压跌落,造成发电机定子电流突然增加。由于转子与定子之间的强耦合性,快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升[1]。所以必须采取有效的控制策略限制 DFIG 在电网电压骤降时的转子电流冲击,避免对变频器造成危害,另外还要尽可能减少机械转矩越变,防止齿轮箱和风机产生机械损害。

现有技术中，提高DFIG的低电压穿越能力的方式大致可以分为三类：一是对风机本体增加硬件保护设备，通过增加额外耗能以消耗DFIG多余的能量，保护变频器的安全[2]。二是使用能量存储系统，提高风电场整体故障穿越能力[3]。三是在不增加硬件的基础上改进电网故障时刻风力发电机组的控制策略。前两种都存在其局限性，不仅会增加风电机组成本，降低可靠性，而且不能有效解决低电压穿越过程中电流激增的问题。随着我国风电行业逐步向西南地区等第四类风区发展，对风力发电机组低电压穿越要求也在发生变化。西南高原地区极易受到雷击影响，因此机组过电流保护定值设定相对较低以保障机组安全稳定运行。以贵州地区某风电场故障为例，该风电场电网波动致使风速较低的集电I、II线(平均风速<3.5 m/s)机组均顺利完成低电压穿越过程后35 kV低频低压解列装置低压减载动作集电线断路器跳闸，但风速较高的集电III线(平均风速>7.5 m/s)却有三台风机在故障期间跳闸。事后查明三台风机在低电压穿越过程中产生大电流致使风机箱变过电流保护动作跳闸。风电场已对箱变定值进行调整但若要彻底解决此问题需对风电机组低电压穿越控制策略进行优化。

本文针对电网故障时DFIG转子侧变频器控制策略进行研究，在不增加硬件保护的基础上，扩大风力发电机组安全运行范围。设计电网电压变化下的DFIG数学模型并基于滑模控制原理设计控制策略；基于抑制电磁功率传递的原理提出了电网故障时刻改进转子侧变频器控制策略；针对本文所设计低电压穿越方案的有效性进行了仿真验证。

1　DFIG数学模型

从 DFIG 的运行原理和等效电路出发, 通常选用Park模型进行分析。根据电动机惯例， DFIG在两相同步旋转dq坐标系下定、转子电压方程和磁链方程可表示为[4]

(1)

(2)

由式子(1)、(2)可得转子电压方程：

(3)

由式(1)、(2)、(3)可得状态方程：

(4)

(5)

2　滑模控制器设计

若采用传统控制，稳态时使用一种正常控制策略，出现故障时配合增加硬件电路切换到相应的故障控制策略。转子侧变换器控制策略的切换或者重新投入运行，会给系统带来不必要的冲击。为增强DFIG控制的相应速度和抗干扰能力，本节根据 DFIG 的数学模型,对基于 DFIG 传统数学模型的控制策略加以改进,不用进行控制策略的切换也不用增加任何硬件电路。既为控制策略的实施提供了方便也降低了成本。

定义切换函数如下：

(6)

对式(6)求导得

(7)

为减弱抖振并改善趋近运动的动态性能，采用指数趋近律，则由式(7)可得

(8)

其中， sat(s)为

(9)

联立式(4)、(5)、(7)、(8)得转子电压方程:

(10)

由式(10)可得电网正常情况下转子侧变流器基于滑模控制器的控制方程。其控制原理图如图1所示。

图1　基于滑模控制器的转子侧变流器功率控制原理图

3　转子回路过电流抑制机理

DFIG实际上是一个三端口能量转换系统,转子轴端输入机械能,定子向电网输出电能,转子的能量流动方向由 DFIG 的运行状况决定。电动机惯例下DFIG的能量流动如图2所示。当DFIG超同步运行状态，风轮所捕获的风能，通过机械能的方式输入到机电耦合系统，经电磁能量转换，以电能的形式从定子侧和转子侧馈入到电网。其关系如下：

(11)

(12)

式中：Ws、Wr、Wm为定子输入电能、转子输入电能和风轮输入的机械能；es、er为定、转子感应电动势。

在电网电压故障时, 定、转子输出的电能减少而风轮输入的机械能不变。电压变化导致了定子磁链的变化,此时定、转子感应电动势将发生变换，以使电端口输出更多的能量，从而造成了定、转子回路的浪涌电流。

转子回路感应电动势即为变频器电动势组成，当磁链中的直流暂态磁链衰减向外释放能量时，变频器电动势向外输出能量。因此，转子感应电动势可控部分只有运动电动势。定子励磁电流动态必须加以考虑,加入该补偿量,可以反映定子电流的变化,进而通过调节转子电压来限制电流的冲击。为减小这一部分感应电动势，可得转子电流参考值为：

(13)

结合式(2)对式(13)进行修正，得由定子磁链表示的转子电流参考值：

(14)

将式(14)代入到电磁转矩和转子电磁功率表达式，可得

(15)

(16)

式(15)、(16)即为DFIG的控制策略，若转子电流能快速跟踪给定值，则电网故障时，转子回路输出的电磁功率为零，且电磁转矩的振荡能得到抑制。有效地减小了电网电压骤降下 DFIG 转子过电流和直流侧过电压的危害,并且能有效地克服系统的抖振。

图2　电动机惯例下DFIG的能量流动

4　MATLAB仿真验证

本文采用MATLAB/Simulink进行仿真研究，以验证所改进低电压穿越控制方案的正确性，以1台2 MW的双馈异步风力发电机组在电网对称故障时为例。

实验对本章所改进的控制策略和在传统模型基础采用的控制策略进行了比较。当t=0.2 s时机端电压跌落到25%时的仿真结果，如图3所示。设转子侧电流最大不超过2 p.u.。当检测到电网故障时，转子电流参考值切换到公式(14)。由图3(a)可知，采用带前馈补偿的传统矢量控制，电网故障时刻，转子电流峰值为4 p.u.，电磁转矩振荡反向最大幅值达到1 p.u.。采用文献[5]所提“灭磁”控制策略时，如图3(b)所示，转子电流峰值被限制在了2 p.u.，电磁转矩的反向振荡幅值达到了0.45 p.u.。图3(c)所示采用本文所选控制策略时，转子电流峰值减小到1.72 p.u.，且抑制电磁转矩振荡的控制效果明显，电磁转矩保持为零。电网电压跌落至电压恢复时刻，图3(c)所示功率波形，相比(a)、(b)所示功率波形，滑模控制下转子电流冲击的幅值比传统控制下其振荡幅度和进入稳态的速度明显缩短，转子电流冲击的幅值得到了很大的削弱,表明控制策略可对转子电流实现有效的控制,可以防止故障时转子及转子侧变换器的过电流。同时，可看出滑模控制策略下电磁转矩的波动幅值明显减小，因而有效减少对齿轮箱、转轴等机械部件的冲击，从而有效延长机械系统的使用寿命。

图3　电压对称跌落到25%时DFIG仿真结果

5　结束语

本文基于滑模控制原理设计了电流控制器，通过提高控制的响应速度，减少DFIGD对电网的电流冲击。从抑制能量向转子侧流动的角度考虑，根据DFIG 能量流动关系，提出了电网故障时刻转子侧变流器的改进控制策略。针对电压对称跌落进行了仿真验证，证明了该方法能有效抑制电网故障时刻转子侧过电流，并对电磁转矩的振荡有很好的抑制效果，提高了在电网电压骤降故障下的不间断运行能力和低电压穿越能力。

参考文献：

[1]徐海亮，章玮，贺益康，等. 双馈型风电机组低电压穿越技术要点及展望[J]. 电力系统自动化，2013，37( 20) : 8-15.

[2]贺益康，周鹏. 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J]. 电工技术学报，2009，24( 9) : 140-146.

[3]郑雪梅，李琳，徐殿国. 双馈风力发电系统低电压过渡的高阶滑模控制仿真研究[J]. 中国电机工程学报，2009( S1) : 178-183.

[4]王成元，夏加宽，孙宜标. 现代电机控制技术[M].北京: 机械工业出版社，2014.

[5]YAH S，AFLAKI M，REZAZADE A R. Optimal PWM for minimization of total harmonic currentdistortion in igh-power induction motors using geneticalgorithms[C].SICE-ICASE，2006: 5494-5499.