電網故障期間雙饋風力發電機的魯棒去磁控制方案

　　摘 要：本文論述了雙饋式風力發電機不依賴于系統參數的魯棒去磁控制。雙饋式電機定子與電網直接相連，對電網擾動十分敏感。去磁控制加快了由電網故障引起的定子自然磁鏈的衰減，提升了雙饋式發電機性能。由于不需要額外的硬件配置，該控制方案便于廣泛使用。然而傳統去磁控制與雙饋式發電機自身參數相關，受到系統參數變化的影響。改進后的魯棒去磁控制方案只需要定子電流，魯棒性較強。本文通過仿真證明了這種改進控制方案的有效性，并且對比驗證了它的優勢。
　　關鍵詞：去磁控制，磁鏈，雙饋式風力發電機，低電壓穿越
　　1.介紹
　　在過去的幾十年里，風能的利用得到大幅增長。如今，雙饋式風力發電機(DFIG)是兆瓦級風力發電機中使用最廣泛的一種。它可以調速并對有功、無功解耦控制，而且，變流器工作在額定功率的25%–30%，與使用大型變流器的直驅式風力發電相比更能夠滿足體積小、重量輕、消耗少、損耗低的要求[1]。
　　傳統方式中，當檢測到電網故障，雙饋式發電機便會斷開與轉子側變流器的連接進行自我保護。當風能在系統中所占比例不高時，脫網影響不大。但是隨著風場容量的不斷增長，電網要求風電場在一定故障條件下與電網保持連接。這就是低電壓穿越(LVRT)要求。
　　低電壓穿越對于雙饋式風力發電場很難實現。由于雙饋式發電機與電網直接相連，電網對稱故障引起的定子電壓跌落會產生定子磁鏈直流分量[3]。對于不對稱電網故障，還會引起負序磁鏈[4]。負序磁鏈和定子磁鏈直流分量會在轉子側感生出大電壓，引起轉子側變流器的過調制，同時還會引起電磁轉矩波動和損耗。如果不對轉子側感生電壓進行有效抑制，轉子回路中的大瞬態電流會損壞電力電子變流器并導致轉子
　　變流器與風力發電機的脫離。現有辦法是在轉子側安裝一個撬棒電路[5], [6]來解決低電壓穿越問題。作為一種相對保守的保護，當檢測到轉子側的過電流，撬棒電路會短路轉子側，同時封鎖轉子側變流器觸發信號。但是，雙饋感應發電機也就變成了一個普通的感應電機，需要吸收無功。因此我們有時也會在雙饋式感應電機端口安裝一個動態無功補償裝置來提供給電網無功[7]。解決低電壓穿越問題的方案包括已經提出的采用額外的電力電子變壓器[8-10]，并聯動態電阻[11]等。但是，這些方案或者成本太高，或者控制過于復雜，尚未得到廣泛應用。去磁控制是Xiang 等人在[12]抵消由電網故障引起的定子磁鏈中首次提出的。由Lopez 等人在[13]，[14]中進一步聯合了撬棒電路來滿足低電壓穿越的要求。現已證明去磁控制確實能加快定子直流磁鏈的衰減，提升雙饋式發電機性能，并且它不需要額外的硬件配置，便于廣泛使用。但是，在定子直流磁鏈的估算中需要知道定子阻值大小，而定子阻值又會隨著工作條件的變化而變化，影響了傳統去磁控制的效果。Liang等人在[15]中采用虛擬電阻減弱系統參數變化的影響，但是定子電阻值依然是必須的。本文給出了魯棒去磁控制方案，改進的控制僅僅需要定子電流信息，不依賴系統參數，因此不會受到系統參數變化的影響。本文同時對傳統以及魯棒控制方案進行理論分析，說明了兩種控制方案的本質是相同的。本文也討論了去磁控制對定子電流的影響。仿真結果證實了改進后的控制方案的有效性。
　　2.雙饋式發電機(DFIG)模型和電網故障響應