【《双馈感应风力发电机DFIG高电压穿越控制策略及有效性验证分析案例》4700字】

双馈感应风力发电机DFIG高电压穿越控制策略及有效性验证分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21318双馈感应风力发电机DFIG高电压穿越控制策略及有效性验证分析案例 191261.1传统控制策略 1325601.1.1控制策略分析 1252851.1.2传统控制策略仿真验证 22181.2转子侧换流器控制策略 525121.2.1电流追踪控制策略分析 5195191.2.2电流追踪控制策略有效性验证 661921.2.3附加阻抗控制策略 9146141.1.4附加阻抗有效性验证 12196881.3网侧换流器控制策略 13245351.4.1DVR数学模型 13261231.4.2DVR控制策略 14224901.4.3DVR控制策略有效性验证 15288901.5HVRT联合控制策略对比验证 16本章针对传统“灭磁”控制无法对进行有效控制，且要求对进行精确测量的不足，提出一种电流追踪控制策略实现DFIG的HVRT。此种控制策略结构简单，效果显著，克服了灭磁控制无法对进行控制的弊端，且最小化了DFIG的脉动程度。此外，在DFIG暂态特性分析的基础上，得出随的增加，DFIG转子侧随之增加，且越大，抑制DFIG振荡作用越明显，提出附加阻抗控制。在分析DVR数学模型的基础上，提出骤升前DVR的电压补偿控制策略，DVR有效隔离了HVRT故障，在改善DFIG暂态特性的同时实现了故障穿越。1.1传统控制策略1.1.1控制策略分析传统的矢量控制方法通常假设电网是无穷大的理想电网，认为电网电压恒定不变，传统的转子侧变换器控制策略在电网正常的状况下能够使双馈风电系统获得良好的动静态特性，但是在电网发生故障时会恶化双馈风电系统的控制性能。RSC的传统控制以有功功率和无功功率控制作为RSC的外环控制，以电流控制为内环控制。在外环控制中，无功功率参考值由风电场控制给定，其值通常取为0。有功功率和无功功率的差值经过PI调节器输出转子电流d轴和q轴分量。电流分量经过PI调节器得到转子电压指令，之后经过坐标变换后经PWM发生器得到DFIG转子侧变流器三相调制信号。如图1.1所示。GSC的传统控制以直流母线电压控制为外环控制，经过PI调节器输出网侧电流d轴和q轴分量参考分量，以电流控制为内环控制。在电流内环控制中，两轴电流间的解耦控制通过电流状态反馈来实现。RSC控制策略（a）RSCcontrolstrategyGSC控制策略（b）GSCcontrolstrategy图1.1DFIG传统控制策略Figure1.1DFIGtraditionalcontrolstrategy1.1.2传统控制策略仿真验证传统的DFIG双闭环控制策略具有良好的静态特性，但当电网电压骤升故障下，其对电压升高的抑制能力并不能实现DFIG的HVRT。图1.1和1.2分别给出了t=7s时电压分别升高至1.1pu和1.3pu，t=7.11s时故障结束，采用功率外环和电流内环传统串级控制策略下DFIG的瞬态响应波形情况。转子电流(a)Rotorcurrent直流母线电压(b)DCbusvoltage电磁转矩(c)Electromagnetictorque图1.2骤升1.1pu下DFIG瞬态响应波形Figure1.2DFIGtransientresponsewaveformunderasurgeof1.1pu转子电流(a)Rotorcurrent直流母线电压(b)DCbusvoltage电磁转矩(c)Electromagnetictorque图1.3骤升1.3pu下DFIG瞬态响应波形Figure1.3DFIGtransientresponsewaveformunder1.3pusurge为了更加直观、清晰的对比功率外环和电流内环传统串级控制策略对电压不同骤升幅度的影响，表1.1给出了不同骤升幅度下、、的峰值对比情况。表1.1不同骤升幅度下HVRT瞬态响应Table1.1HVRTtransientresponseunderdifferentswellamplitudes骤升幅度峰值骤升幅度1.1pu骤升幅度1.3pu转子电流峰值/pu1.762.75直流母线电压峰值/pu1.181.78电磁转矩峰值/pu1.152.88由图1.1和表1.1可以看出，DFIG传统的串级控制策略在电网正常的状况下能够使双馈风电系统获得良好的动静态特性，和的峰值仅为了1.76pu和1.18pu，在安全限制2pu和1.2pu以内，成功实现了DFIG的HVRT；但是在电网发生故障时会恶化双馈风电系统的控制性能，当电压骤升幅度为1.3pu时，在传统的功率外环和电流内环串级控制策略下，和的峰值达到了2.75pu和1.78pu，超过了HVRT的安全限制，不能实现DFIG的HVRT。因此，传统的功率外环和电流内环串级控制策略对电压大幅度骤升故障无明显的控制作用，需提出新的DFIG控制策略来实现电压大幅度骤升下的故障穿越。1.2转子侧换流器控制策略1.2.1电流追踪控制策略分析传统“灭磁”控制无法对进行有效控制，且要求对进行精确测量，鉴于上述控制策略的不足，因此，在2.4节转子电流研究的基础上提出一种电流追踪控制策略以实现DFIG的HVRT。若电网电压升高时，将乘以一个追踪系数作为HVRT过程中的参考值，即：(3-4)电流追踪控制策略结构简单，仅改变了HVRT期间的参考值，且效果显著，克服了灭磁控制无法对进行控制的弊端，且最小化了DFIG的脉动程度，较传统“灭磁”控制更容易实现。电流追踪控制策略如图1.4所示。稳态运行时，的参考值、由功率外环产生；HVRT时，的参考值为倍的、。图1.4反向电流追踪控制策略Figure1.4Reversecurrenttrackingcontrolstrategy将式(3-4)代入式(2-2)得与间的关系为：(3-5)由(2-1)和式(3-5)可知，HVRT时，的时间常数由变为，电流追踪控制策略下衰减时间常数显著减小，加快了暂态直流磁链的衰减速度。若，则，为临界电流追踪系数。、表示的[22]为：(3-6)式中，为极对数。将式(3-1)代入式(3-3)：(3-7)可以看出，电流追踪控制下，，HVRT最小化对DFIG的冲击，减轻了主轴、齿轮箱的扭转应力脉动。1.2.2电流追踪控制策略有效性验证在图2.4中DFIG仿真模型的基础上，构建RSC使用的图1.4所示的电流追踪控制策略的DFIG仿真模型。时，电压对称升高至1.3pu，时，故障恢复，图1.5给出了电流追踪控制和传统控制下的、、波形对比。(a)分量(b)分量(c)分量图1.5DFIG瞬态响应波形Figure1.5DFIGtransientresponsewaveform为更清晰反映电流追踪控制的有效性，表1.2给出了传统控制策略和电流追踪控制策略下、、的峰值对比情况。表1.2两种控制下DFIG响应峰值对比Table1.2DFIGtransientresponsecomparisonundertwocontrolstrategies控制策略/pu/pu/pu电流追踪0.4-1.21.45传统控制0.6-21.7传统控制策略下，、、的峰值分别达到0.6pu、-2pu和1.7pu，而在电流追踪控制策略下，、、的峰值仅为0.4pu、-1.2pu和1.45pu。电流追踪控制抑制了、的冲击幅值，加快了的衰减速度，有利于DFIG的HVRT恢复。此外，由的波形及数据对比可以看出，的振荡峰值明显减小，且HVRT期间的过渡过程更加平滑，对DFIG的冲击程度显著降低，延长转轴寿命。图1.6给出了电流追踪控制和传统控制下，时，DFIG的B、C两相电压不对称骤升至1.3pu，时，故障恢复时的、、瞬态响应波形对比。（a）分量（b）分量（c）分量图1.6B、C相骤升时DFIG瞬态响应波形Figure1.6DFIGtransientresponsewaveformunderB、Cswell为更清晰的反映电流追踪控制的有效性，表1.3给出了两种控制策略下、、的峰值对比情况。表1.3B、C相骤升时DFIG响应峰值对比Table1.3comparisonofDFIGresponsepeakvalueduringphaseBandCsuddenrise控制策略/pu/pu/pu电流追踪0.45-1.81.5传统控制0.65-2.11.73可以看出，电流控制优化了B、C两相电压不对称骤升的瞬态响应，、、的峰值得到抑制。此外，对比表1.2和表1.3可知，B、C两相电压不对称骤升故障较电压对称骤升故障对DFIG的冲击更大。1.2.3附加阻抗控制策略以DFIG的作为状态变量，和作为输入量，其状态方程为：（3-8）由式（3-8）经变化可得转子侧的特征方程为：（3-9）由特征方程可得式（3-9）的自然振荡频率及阻尼系数：（3-10）（3-11）HVRT故障造成DFIG的升高，当时，超过其安全限值，造成HVRT失败。但由式(3-11)可知：随的增加，DFIG转子侧随之增加。图1.6给出了随变化下的瞬态响应情况。图1.7瞬态响应波形Figure1.7transientresponsewaveform由图1.7可以看出，随的增加，随之增加；越大，抑制DFIG的振荡作用越明显。因此，在HVRT故障过程中可增大转子侧阻抗来改善DFIG的振荡过程。HVRT故障过程中，在DFIG转子侧附加阻抗可抑制故障下的振荡幅度，加快直流分量的衰减速度，减弱HVRT对系统的冲击。表1.4给出了DFIG分别在和状态下运行，骤升幅度分别为，，时，峰值。表1.4不同下峰值Table1.4peakvalueunderdifferents骤升幅度/d00.10.20.340191510011084434113811911344为了更加直观清晰的对比不同及不同骤升幅度下DFIG的峰值，图1.8给出了不同下的峰值对比。（a）s=-0.2（b）s=0.2图1.8峰值波形Figure1.8peakvaluewaveform由表1.4可以看出，HVRT期间，转子电压峰值大于RSC所承受的安全限值，造成HVRT失败。因此，在RSC加入附加阻抗，其控制策略如图1.9所示。图1.9附加阻抗控制Figure1.9Additionalimpedancecontrol其中，随、分别为内环的比例、积分常数。在中加入附加阻抗，经PI调节后的电压值作为的叠加分量，以此加快直流分量的衰减。由图1.9可知，RSC采取附加阻抗控制后的为：（3-9）1.1.4附加阻抗有效性验证若HVRT故障在t=2s时发生，且，故障持续时间为100ms，图1.10给出了DFIG在附加阻抗控制和传统控制策略下的瞬态响应对比波形。转子电流(a)Rotorcurrent直流母线电压(b)DCbusvoltage电磁转矩(c)Electromagnetictorque图1.10DFIG瞬态响应Figure1.10TransientresponseofDFIG可以看出，传统双闭环控制策略下、、的峰值分别达到2.45pu、1.28pu、2.9pu，出现了和超过DFIG安全限制的情况，即、，造成DFIG的HVRT失败。附加阻抗控制策略下、、的峰值仅为1.86pu、1.17pu、2.0pu，此时、，不仅未出现和越限的情况；而且，在DFIG附加阻抗控制下抑制DFIG的振荡，其动态过渡过程更加平稳，减少了稳定运行的恢复时间，提高了DFIG的瞬态性能。1.3网侧换流器控制策略DVR具有保持DFIG电压稳定的作用，目前针对动态电压恢复器（DVR）实现DFIG故障穿越问题中，传统的研究仅涉及到利用DVR实现LVRT，DVR实现HVRT的问题鲜有研究。文献[53]鉴于DVR前馈电压控制瞬态响应迅速、稳态性能良好的优点，以此来实现DFIG故障穿越，但前馈电压控制下补偿精度较差，且电压补偿特性受并网电压的影响；文献[54]中提出DVR电压反馈控制策略来补偿电压下降，但其计算参数及整定过程较为繁琐；文献[55]分析了DVR电流内环电压外环的双环控制，此种控制下DVR暂态性能良好。1.4.1DVR数学模型DVR的简化等效电路（如图1.11所示）以及数学模型为：(3-10)(3-11)式中，为DVR输出滤波器电容；为DVR输出滤波器电感；为的电压；为流经电流；为等效电阻；为VSC输出电压；为负荷电流。图1.11DVR等效电路Figure1.11DVRequivalentcircuit1.4.2DVR控制策略DVR主要用于确保DFIG机端电压稳定。针对上述前馈电压控制、电压反馈控制、双环控制这些方式的不足，本篇文章提出一种骤升前DVR的电压补偿控制策略。DVR采用骤升前电压补偿，其补偿参考电压为：(3-12)式中，为电网电压参考值。图1.12给出了骤升前DVR的电压补偿控制策略，其为：（3-13)（3-14)其中，为VSC输出电压参考值；、分别为PI的比例、积分常数；、为DVR的d、q轴分量；、为DVR的d、q轴分量参考值。图1.12DVR电压控制Figure1.12DVRvoltagecontrol1.4.3DVR控制策略有效性验证若HVRT故障在t=2s时发生，且，故障持续时间为100ms，图1.13给出了基于骤升前DVR的电压补偿控制策略和传统控制策略下的瞬态响应对比波形。电网电压(a)GridvoltageDVR输出电压(b)DVRoutputvoltage转子电流(c)RotorcurrentDVR有功功率(d)DVRactivepower图1.13DFIG瞬态响应对比Figure1.13transientresponsecomparisonofDFIG由和波形可以看出，在HVRT期间，基于骤升前DVR的电压补偿控制策略下，DVR吸收一定的电压，使DFIG的电压骤升幅度远远小于0.3pu，基本保持了HVRT过程中的稳定；此外，故障期间上的能量也由DVR吸收，DFIG的峰值显著降低，过渡过程缩短；且HVRT期间，DVR向DFIG供给了一定的有功功率。DVR有效隔离了HVRT故障，确保DFIG的故障穿越的实现。基于DVR改进控制策略下的DFIG瞬态响应得到了很大程度的改善，较传统控制策略具有显著的优势。1.5HVRT联合控制策略对比验证上述所提的三种控制策略中，电流追踪控制策略和附加阻抗控制策略是针对DFIG的转子侧换流器控制策略的改进，DVR开展策略是针对DFIG的网侧换流器控制策略的改进。转子侧换流器改进开展策略中，电流追踪控制策略重点解决了HVRT过程中对了主轴、齿轮箱的扭转应力脉动问题；但附加阻抗控制策略不仅抑制了DFIG的振荡，同时使其动态过渡过程更加平稳，且改善了、的峰值，使其、，成功实现了DFIG的高电压穿越。在HVRT整体控制上，附加阻抗控制策略较电流追踪控制策略更具优势。此外，附