【《对称故障下的直驱永磁风电系统低电压穿越技术概述》2800字】

对称故障下的直驱永磁风电系统低电压穿越技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u24336对称故障下的直驱永磁风电系统低电压穿越技术概述 1212511.1电网电压跌落 114571.2三相对称故障时直驱永磁风电系统的运行机理 1110151.3直驱永磁风电系统的低电压穿越技术 320701.4基于线性ADRC的直流侧crowbar卸荷电路保护策略 5148841.4.1线性ADRC基本核心算法 5304551.4.2基于线性自抗扰控制的crowbar卸荷保护电路 7316091.4.3故障条件下网侧逆变器Statcom模式 9248811.5仿真分析 101.1电网电压跌落并网系统中，电网的电压下降和跌落是一个普遍存在的问题，其原因是多方面的，可分为三大类。第一类指的是电网出现故障,跌落的时间和恢复期相对比较短；第二类指的是由发电机启动引起,电压跌落和电网恢复持续时间相对较长；第三类是发电机处于再加速过程中，此时需要从电网吸收无功功率，这对电网电压的恢复造成了很大的影响。在关于电网电压跌落的研究中,主要的问题大多集中于电网短路的故障,它不仅会导致电压的幅值减小,还可能引起三相电压的变化或者相位突变、以及电压的三相不对称。对称性故障简单的来说就是三相短路故障,此时在电网的电压中仅仅只有正序分量，电压有效值下降。不对称故障有两相短路、单相接地短路和两相接地短路。正序分量和负序分量值都会下降。不同的故障有不同的保护措施。1.2三相对称故障时直驱永磁风电系统的运行机理当对称故障发生时，首要分析对象是变流器，首先需要分析它的运行机理。通过对第二章节的所建立的数学模型进行综合分析，我们可以在忽略转换器损耗的情况下绘制直流侧的等效电路，如下图1.1所示。图1.1直流侧等效电路网侧逆变器并网的有功功率表示为： 式(1.1)PMSG发出的功率为Pe，电容的功率为，因为需要保持功率平衡所以可以得到： 式(1.2)假设电路是理想的，电容电压稳定没有电流，直流母线测的电压稳定不变，直驱永磁发电机转速也不变，所以(1.2)可简化为： 式(1.3)当发生故障时，电网电压突然下降，正序电压分量的有效值降低，并网逆变器有一定的输出限制，输出电流有极限值，从公式(1.3)可以看出，pg会降低。在故障发生时，假定外部环境中的风速是恒定的常数，此时Pm恒定，Pe恒定，根据功率平衡原则，会产生一个多余的不平衡功率： 式(1.4)由式(1.2)和(1.4)可以看出，当故障发生时直流母线电容中会出现不平衡功率ΔP这会导致电容电压增加。如果不能有效的抑制不平衡功率，风电系统就会有影响从而脱网。因此，需要采取措施，消去不平衡功率。1.3直驱永磁风电系统的低电压穿越技术本节通过在直流母线处加入卸荷负载crowbar电路来消除不平衡功率ΔP。其控制原理是：当发生故障时，系统检测到中间环节电容电压过大，此时加入卸荷负载利用负载运行来消耗ΔP，使直流母线电压值趋于稳定。卸荷负载的接入方法有两种，一种是通过buck电路并联接入直流侧，另一种是直接接入卸荷电路。其中，第一种方法，具有更好的稳定性，但结构比较复杂。第二种相对简单，成本低。下图1.2是上述两种方法的连接方式。buck电路接入方式图1.2耗能crowbar保护电路接入示意图卸荷电阻的电阻方程： 式(1.5)是直流侧母线电容电压的最大值，直流电容电压的方程为： 式(1.6) 式(1.7) 式(1.8)为直流母线电流最大值。当电压跌落，Udc开始增大，系统检测到发生故障此时电压外环控制首先作用，通过改变功率器件的导通占空比来抑制电压增大，如果发生突变的电流过大，电压外环电压达到饱和，电压外环控制作用消失，此时需要投入卸荷电路。导通占空比d如下式： 式(1.8)公式(1.8)表明，当出现不平衡功率时，保护电路可以消耗掉。当系统恢复正常运行时和ΔP处于稳定范围，此时d=0，crowbar保护电路断开；当和ΔP过大，使d=1，此时需要投入crowbar卸荷保护电路。所以，控制保护电路及时的投切十分重要。目前的方法如图1.3所示。（a）功率偏差（b）电压偏差（c）电压偏差带PI调节器（d）功率和电压协同判断图1.3crowbar卸荷电路传统控制框图1.4基于线性ADRC的直流侧crowbar卸荷电路保护策略由上节可知，卸荷电路的投切控制方法有许多种，其中电压偏差带PI控制器是比较广泛使用的。但是这个方法有一些缺陷，它通过分析误差来消除不平衡功率，这个方式需要一定的时间。针对这些不足，我们作出了改进提出了一种基于自抗扰的crowbar卸荷电路投切的控制方法，以及网侧逆变器在故障条件下运行在Statcom模式控制策略的联合低电压保护方法。自抗扰控制(可简称为ADRC)是积分串联型，它把系统中内扰外扰等因素都视为总扰动。这些扰动随时都被ADRC监视估计，提高了系统的稳定。下面对其进行介绍。1.4.1线性ADRC基本核心算法线性ADRC通过简单的微分组合来联系线性化扩张状态观测器的参数与观测器的带宽，从而大大简化了操作。其控制如图1.4所示。图1.4线性ADRC基本结构①无对象模型信息的线性扩张状态观测器它将整个系统总扰动扩张成一个新状态变量，利用输入和输出估计扩张后的系统状态。我们假设一个二阶的系统来表示其控制原理： 式(1.10)u表示系统的输入，y表示系统的输出，w是扰动。a1、a2、w是未知量，控制数b部分已知，部分已知的表示为b0，上式可以写为： 式(1.11) 式(1.12)在(1.12)中，f是总扰动。我们选取以下的状态变量来建立LESO方程： 式(1.13)那么就是包含了扰动的扩张状态，可以把(1.11)变换成连续的扩张状态空间表达式： 式(1.14)上式中：状态空间中的表达式为： 式(1.15)在式(3-15)中，z→x，z为LESO的状态向量，L是误差反馈增益矩阵。f未知但可以用校正项估计得出，所以略去了。式(1.15)可改写为： 式(1.16)在上述的方程中，A、B、C的取值已知，是输出。为了得到需要设计的L矩阵，可以通过参数化的方法，把方程极点都处于-ω0处，ω0表示带宽，那么L就为： 式(1.17)则特征方程可以简化为： 式(1.18)②线性状态误差反馈控制率同样用二阶的系统来举例，PD控制器可以设计为： 式(1.19)上式中：Kp是比例放大系数，Kd为微分放大系数比，r为参考值。经过简化后Kp和Kd可以由ωc决定： 式(1.20)1.4.2基于线性自抗扰控制的crowbar卸荷保护电路控制对象的模型为一阶系统，其扩张状态空间描述为： 式(1.21)上式中，扩张状态为系数矩阵为：设计观察器的增益矩阵为：，线性扩张状态观测器方程为： 式(1.22)联立(3-21)和(3-22)：式(1.23)从上式可看出，增益矩阵可以通过控制ω0来设置。对于二阶的线性扩张状态观测器，PD控制组合环节可以只用比例环节来控制，控制器表示为： 式(1.24)设计，其中是控制器带宽。控制信号就可以表示为： 式(1.25)MATLAB仿真如图1.5。图1.5线性ADRC控制器仿真图Crowbar保护电路直接并联接入直流环节，控制方法如图1.6。图1.6基于线性ADRC的crowbar卸荷保护电路控制框图1.4.3故障条件下网侧逆变器Statcom模式通过前面章节中对网侧变流器的控制策略的了解。得出，当电网发生电压跌落时，可以通过电网电压外环控制向电网提供无功功率，等效于采用静止无功补偿（Statcom）模式。静止无功补偿模式如图1.7。当电压跌落时，此时外环开始作用，无功电流的参考值由PI调节器来定义。Statcom运行模式主要控制无功电流，需要限制有功电流来更快地向电网提供无功功率。公式(1.26)为限制有功电流，imax为变流器电流额定值。 式(1.26)当外环控制失去作用后，此时需要投入保护电路，维持直流侧电压稳定。图1.7Statco