一种适用于弱电网运行的风电机组新型鲁棒低压故障穿越外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

原文标题 A Novel Robust Low Voltage and Fault Ride Through For Wind Turbine Application Operating in Weak Grid

译文标题 一种适用于弱电网运行的风电机组新型鲁棒低压故 障穿越

一种适用于弱电网运行的风电机组新型鲁棒低压故障穿越

Manoj R Rathi, Ned Mohan

marathi@ece.umn.edu, mohan@ece.umn.edu

明尼苏达大学电气与计算机工程系

摘要：任何的扰动、故障和电网电压的降低都会使风力涡轮机受到干扰。当这些情况出现时，他们与电网断开连接并在电网健康时重新连接。维持风力发电机与电网连接是真正的挑战。未来电网规范将要求风力涡轮机即使在故障状态下也连接到电网并具有低压穿越（LVRT）功能。LVRT功能在目前的大多数风力发电机中都不可用，而且也几乎不会做附加电路和控制，因为会增加系统的成本。在本文中，提出了一种新颖的双馈风力发电机控制策略和LVRT，用于在故障期间和故障后保持涡轮机连接到电网，而无需附加电路。控制器采用技术和基于分析的鲁棒控制技术来设计，以考虑各种不利条件。 该控制器在低功耗硬件原型上进行了测试，并给出了结果。

1.介绍

风能是一种清洁，可再生和丰富的能源。美国的总装机容量是6350MW^[1]，预计到2020年总装机容量将达到100,000 MW。目前的技术不支持在故障期间和故障后保持连接到电网的风力涡轮机，并且如果是这样的话，会有额外的电路和成本，导致在故障状况期间涡轮机断开。在未来，断开如此大的功率会严重影响故障期间和故障后的电力系统运行。未来电网规程将要求风力机必须具有如图1所示的低压穿越（LVRT）^[2]特性。

由于风的可变性质，双馈感应发电机（DFIG）更适合作为利用风能的风力发电机组。DFIGs可在较宽的转速范围内运行，且理想情况下可在转子电路中使用任何功率因数的电力电子转换器。电力电子转换器的额定值一般取决于运行速度范围，并且通常在机器额定值的10-40％的范围内。如图2所示，感应电机的定子被直接连接到电网，而转子是通过其上的另一端连接回到后端连接的三相电压源转换器（VSCs）。只有少数风力发电机制造商提供LVRT功能，并通过使用俯仰角控制和短接转子电路^[3]来实现，而不是使用转子控制来提高性能，并在故障状态下尤其是故障后提供无功功率。短接转子终端将会导致在故障后状态下产生非常高的无功功率，并可能引起另一种影响电力系统故障后运行的扰动。

图1 风力发电低压穿越的要求

电网侧变流器具有处理网故障/干扰和保持直流母线电压和定子端电压恒定的能力，而转子侧转换器要能控制定子在包括故障及低电压条件下的宽电压范围内的有功和无功功率。此外，尽管已知电网电压，系统参数和风电系统的变量都在不断变化，但仍然需要保持良好的性能。此款控制器是使用基于控制合成和分析技术的程序来设计的。通过对低功率实验室原型进行仿真研究和硬件验证，对控制方案进行了测试。

2.系统建模

由DFIG组成的变速涡轮风力机如图2所示。DFIG的定子直接与电网相连接，而转子通过一背靠背连接的电压源换流器^[4]连接到电网，如图2所示。DFIG模型的每相等效电路如图3所示。

图2 变速风力机系统

图3 DFIG模型

完整的系统在d-q参考坐标系建模。选择如图2和图3所示的方向作为开发系统模型的当前方向。的变换用于将电压和电流从lsquo;a-b-crsquo;转换成lsquo;d-qrsquo;坐标轴上

(1)

DFIG [5]的方程由下式给出

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中下标是分别是轴分量，轴分量，定子和转子，是同步转速，是转子电压和电流的频率。和与电弧率下的转子速度的关系为

(11)

定子功率和转子功率的关系式为

(12)

(13)

其中是DFIG所需的磁化无功功率，可近似为

(14)

根据上面的公式13和公式14，理想情况下可以通过在转子电路中注入相对较小的无功功率来使发电机在任何功率因数下运行。

电网连接点处的方程式为

(15)

(16)

其中下标代表电网侧数量。对于电网侧变流器来说，其电压方程为

(17)

(18)

(19)

其中，下标表示电网侧变流器的数量。电网电流，定子电流和电网侧换流器电流之间的关系为

(20)

(21)

从电网汲取的有功功率和提供给DFIG转子电路的有功功率之差为直流链电容充电。其可表示为

(22)

(23)

是电容电压，是电容的等效串联电阻，是直流链电压。在此，在电网侧和转子侧转换器中的损耗忽略不计。

电网侧变流器作为STATCOM运行，将定子端电压保持在要求值，并向转子电路提供所需功率，以保持直流母线电压不变。转子侧变流器通过在由式（12）和（13）控制的转子电路中注入有功和无功功率来控制定子的有功和无功功率。如果系统中的损失被忽略，那么从风中提取的功率应该流入电网。 因此定子功率可写为

(24)

在低电压条件下，电网不能吸收或供给功率，因此所述发电机的风力发电参考必须设为零。 这样定子功率就变成了

(25)

是系统保持运行状态。

转子侧控制在故障或低电压条件下具有可操作性。一旦电网电压恢复正常，发电机会尝试吸收大量的无功，这可能导致另一种干扰将涡轮机与电网断开。因此为电网侧转换器和转子侧转换器合成了一个鲁棒的控制器，以等式（2）至（23）建立系统模型来保持涡轮机和电网间的连接。故障状态可能会持续150毫秒甚至更长时间。电网侧控制器检测直流链电压误差和定子端电压幅值误差，并产生电流指令以补偿它们，而转子侧控制检测到定子有功和无功功率误差并产生转子电流指令来补偿它们。

3.控制器设计

具有Hinfin;控制器的完整系统如图4所示。

图4 系统框图

图5 电网侧转换器电流控制系统框图

图6 转子侧转换器电流控制系统框图

图7 GSCHinfin;控制器设计模型

图8 转子Hinfin;控制器设计模型

为了综合网侧变流器和转子电路的Hinfin;控制器^[6]，需要更快的内部电流控制回路。网侧变流器电流控制器设计和转子侧电流控制器设计的系统框图分别如图5和图6所示。由方程式（17）和方程式（18）建模的系统用于设计电网侧变流器电流控制器和方程式（2）到（5）用于转子侧电流控制器。设计带宽为1kHz的电流控制器。

一旦标称的DFIG系统，电网侧转换器电流控制器和转子电路电流控制器如上所述被建模，必须添加各种参数变化和干扰，从而可以合成控制器，这将使系统从它们脱敏并保持良好的性能。用于电网侧变流器的控制器，在风力发电90％和100％的变化的电网电压下降被认为代表故障状况和风力发电的可变性质。对于建模不确定性，考虑Lg和C的元件值的10％变化，电网电压的10％变化和电源频率的5Hz变化。将干扰信号通过一个合适的加权函数加入到模型中，以表示的250毫秒的故障状态，从而使合成的控制器最小化干扰的影响。归一化的DC链路电压误差（Vdcerr）和定子端子电压幅值误差（Vsmag）被认为是性能输出。合适的加权函数被选择用于所期望的输出性能。对于转子侧变流器，考虑定子端电压的90％变化和风力的100％变化。对于建模不确定性，考虑10％的变化系统参数。 考虑到故障情况和定子有功功率的变化，增加带有加权功能的干扰信号。定子有功功率，无功功率的误差和电磁转矩误差中被认为是性能输出，并且添加了适当的加权函数以获得期望的转子侧转换器的输出性能。

表I 2MW系统的DFIG系统参数^[7]

表II 2MW系统风力发电机组参数^[7]

系统在Matlab-Simulink中实现，控制器使用Matlab 分析工具箱^[8]合成2 MW机器和低功率实验室原型。表1中详细列出了用于2 MW机器和实验室原型的系统参数。表2中给出用于2MW系统的风力涡轮机参数。电网侧变流器和转子侧变流器的变流器额定值取决于运行速度范围，选择为DFIG额定值的25％。

图9 GSCHinfin;控制器对2MW DFIG系统的频率响应

图10 2MW DFI系统转子Hinfin;控制器的频率响应

对于2MW DFIG系统获得的GSC和转子控制器的频率响应分别如图9和图10所示。

4.仿真结果

模拟研究在2MW DFIG系统上进行，参数详见表1和表II. 电网电压在250ms内下降了90％以模拟故障情况。 图11（a）和图11（b）显示了电网和定子端的线电压。直流链电压波形如图12所示。从图11可以清楚地看到，一旦故障被清除，控制系统会快速恢复定子端电压，并在故障和故障后保持直流母线电压。 因此，风电机组在故障期间和故障后仍然连接到电网。

1. 电网电压

（b）DFIG转子端电压

图11 2MW 250毫秒故障状态下的仿真结果

在故障状态期间，风力基准和定子无功功率基准为零，并且一旦电网正常运行，正常运行就恢复。 无功功率波形如图13所示。从图13可见，控制器将定子无功功率保持在参考值。

图12 2MW系统在250毫秒故障条件下的直流母线电压

图13 2MW250毫秒故障状态下的无功功率波形

5.硬件结果

使用小型实验室原型验证如图14所示的控制概念。所设计的Hinfin;控制器是使用dSPACE的基于DSP的快速原型环境实现的[9]。使用空间矢量调制技术开发PWM信号以更好地利用DC链电压。 该系统在50 V（rms）电网线电压下运行。定子端电压和直流母线电压的参考值选择为55 V（有效值）和100 V（直流）。DFIG所需的无功功率由转子侧提供（即Qs = 0）。系统采用250毫秒的电网电压故障。 定子端电压和直流母线电压分别如图15（a）和图15（b）所示。从图15可以明显看出，控制器有效地工作，并试图在故障状态下保持直流母线电压不变。如图16所示，转子侧控制器控制故障期间和故障后控制期间从电网吸收的无功功率。

图14 低功耗硬件原型

1. DFIG转子电压

（b）直流母线电压

图15.250毫秒故障条件的硬件结果

图16 定子无功功率率

6.结论

使用鲁棒控制器理论的新型控制策略用于减少任何故障，干扰或低电网电压的影响。结合鲁棒Hinfin;控制器对电网侧变流器和转子电路进行控制，使得风电机组在故障期间和故障后仍保持在工作状态，不会产生任何损失。从现有方法修改控制器可以使涡轮机保持更长的连接时间，从而更好地利用风力涡轮机。 DFIG可以向电网提供无功功率以支持电压。 该控制方案已经在按比例缩小的实验室原型上进行了测试，发现其工作令人满意。

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