低電壓穿越時(shí)功率控制策略研究

低電壓穿越時(shí)功率控制策略研究

在這項(xiàng)工作中，我們使用了時(shí)間間隔理論，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算和檢測(cè)電網(wǎng)電壓的功率。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)電壓下降的深度，確定是否使用了statcom模式和開(kāi)開(kāi)電壓輸出，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。瞬時(shí)有功和無(wú)功功率理論,即所謂的“p-q理論”,由赤木泰文等人于20世紀(jì)80年代創(chuàng)立,其影響是深遠(yuǎn)的,目前認(rèn)為該理論是現(xiàn)代電壓源換流器(VSC)的兩個(gè)理論支柱之一,另一個(gè)是脈寬調(diào)制理論,即PWM理論。瞬時(shí)無(wú)功功率補(bǔ)償性能,很大程度上取決于對(duì)補(bǔ)償分量的快速精確檢測(cè),而諧波信號(hào)是很難精確檢測(cè)的。許多瞬時(shí)畸變電流檢測(cè)方法與理論,如快速傅里葉變換(FFT)、自適應(yīng)濾波電流檢測(cè)方法、三相電路瞬時(shí)無(wú)功畸變電流檢測(cè)方法與理論、同步d-q坐標(biāo)系原理、同步檢測(cè)方法和陷波濾波器方法等都被用來(lái)檢測(cè)諧波。本文中的瞬時(shí)功率理論突破了傳統(tǒng)功率定義,能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算系統(tǒng)的瞬時(shí)功率值,正好滿足了無(wú)功補(bǔ)償裝置快速連續(xù)動(dòng)作的要求。u3000介紹p-q理論在時(shí)域中定義了一整套瞬時(shí)功率。因?yàn)閷?duì)電壓和電流的特性沒(méi)有施加任何限制,它適用于有中性線或無(wú)中性線的三相系統(tǒng)以及一般性的電壓和電流波形。這樣,它不但在穩(wěn)態(tài)下成立,而且在暫態(tài)過(guò)程中也成立,與其他傳統(tǒng)功率理論將三相電路處理成三個(gè)單相電路相反,p-q理論將整個(gè)三相系統(tǒng)作為一個(gè)整體同步處理。p-q理論是采用αβ0變換來(lái)定義的,αβ0變換又稱為Clarke變換,它是一個(gè)實(shí)數(shù)矩陣,將三相電壓和電流變換到αβ0靜止坐標(biāo)系中。p-q理論為基于電力電子器件的電力調(diào)節(jié)器的控制策略設(shè)計(jì)和控制器實(shí)現(xiàn)奠定了非常高效和靈活的基礎(chǔ)。Clarke變換:αβ0變換即Clarke變換,將abc坐標(biāo)系中的三相瞬時(shí)電壓va、vb和vc映射到αβ0坐標(biāo)系中的瞬時(shí)電壓vα、vβ和v0。對(duì)于任何三相電壓,Clarke變換和它的反變換為類似地,對(duì)于任何三相線電流ia、ib和ic,可以將其變換到αβ0坐標(biāo)系。采用αβ0變換的優(yōu)勢(shì)之一是將零序分量從坐標(biāo)系分量中分離出來(lái)。α軸分量和β軸分量對(duì)零序分量沒(méi)有任何作用。在三相三線制系統(tǒng)中不存在零序分量,因此可以將i0從上述方程中去掉,從而使變換關(guān)系得到簡(jiǎn)化,則Clarke變換及其反變換就變?yōu)閷?duì)于線電流也存在類似的式子。上述的Clarke變換和反變換具有功率不變的特性,當(dāng)用于分析三相系統(tǒng)瞬時(shí)功率時(shí),這個(gè)特性非常適合。傳統(tǒng)的功率定義都有一個(gè)前提條件,即系統(tǒng)必須處于穩(wěn)態(tài),而三相瞬時(shí)功率在暫態(tài)過(guò)程中也是適用的。三相瞬時(shí)有功功率p3ue788(t)可以通過(guò)相電壓和線電流的瞬時(shí)值來(lái)計(jì)算若將abc坐標(biāo)系中的量替換為αβ0分量來(lái)計(jì)算,則三個(gè)瞬時(shí)功率,即瞬時(shí)零序功率p0、瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q是基于αβ0坐標(biāo)系下的瞬時(shí)相電壓和瞬時(shí)線電流來(lái)定義的,表示為因?yàn)樵谌嗳€制系統(tǒng)中,沒(méi)有零序分量,即i0=0,代表單位時(shí)間內(nèi)總能量流的實(shí)功率p可以由α、β軸上的瞬時(shí)功率來(lái)表示,即p3ue788=p。虛功率q表達(dá)式為虛功率是瞬時(shí)三相電壓和某些電流分量的乘積之和,且這些乘積之和對(duì)子系統(tǒng)之間的能量傳遞任何時(shí)候都不起作用。這與傳統(tǒng)功率理論中,無(wú)功功率被定義為瞬時(shí)(有功)功率的一個(gè)分量,該分量的平均值等于零不同。實(shí)功率與虛功率都具有一個(gè)恒定分量和一個(gè)振蕩分量,因此將p和q分解成兩個(gè)分量的疊加。式中,和分別表示p的平均部分和振蕩部分;和分別表示q的平均部分和振蕩部分。實(shí)功率的平均值表示單位時(shí)間內(nèi)只沿一個(gè)方向流過(guò)的能量流;振蕩部分表示單位時(shí)間內(nèi)振蕩的能量流,其平均值自然等于零,代表了系統(tǒng)中的附加能量流的大小,該能量流對(duì)能量的傳遞沒(méi)有任何作用。虛功率的平均值與傳統(tǒng)的三相無(wú)功功率相對(duì)應(yīng),但對(duì)能量傳遞不起任何作用。虛功率的振蕩分量所對(duì)應(yīng)的功率僅在三相之間進(jìn)行交換,對(duì)從電源到負(fù)載的能量傳遞沒(méi)有作用。用于計(jì)算補(bǔ)償電壓vC*的一種通用控制方法是對(duì)負(fù)載端的相電壓和線電流進(jìn)行測(cè)量并變換到αβ0坐標(biāo)系,然后計(jì)算負(fù)載的實(shí)功率和虛功率,再選定不合需要的功率分量。根據(jù)負(fù)載功率中的這些功率分量以及線電流,可以計(jì)算出補(bǔ)償電壓并由補(bǔ)償器“瞬時(shí)地”注入到電力系統(tǒng)中。直流側(cè)卸荷負(fù)載控制圖1和圖2是本文采用的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),帶有連接發(fā)電機(jī)定子和電網(wǎng)的全功率變換器。發(fā)電機(jī)側(cè)變換器由三相不控整流橋和Boost變換器構(gòu)成;網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制(PWM)變換器通過(guò)電壓參考值計(jì)算和Clarke變換及反變換調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的電流,控制直流側(cè)電壓和流向電網(wǎng)的無(wú)功功率,直流側(cè)卸荷負(fù)載用于電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)消耗掉直流側(cè)積累的多余能量。本文重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器STATCOM模式和卸荷負(fù)載電路進(jìn)行控制。網(wǎng)側(cè)變換器可以方便地調(diào)節(jié)輸出功率因數(shù),能夠在系統(tǒng)故障時(shí)為電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支持;直流側(cè)的卸荷負(fù)載故障發(fā)生時(shí)吸收直流側(cè)多余的能量,而發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電壓跌落時(shí)只需保持正常運(yùn)行即可。由dU2dc/R1=Δp確定電壓跌落時(shí)卸荷負(fù)載電路功率器件的導(dǎo)通占空比d,其中R1為卸荷負(fù)載,Δp為直流側(cè)輸入和輸出功率差,表明當(dāng)直流側(cè)功率不平衡時(shí),由卸荷負(fù)載吸收多余的功率。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),Udc和Δp在有限范圍內(nèi)波動(dòng),此時(shí)卸荷負(fù)載不參與工作,d=0;當(dāng)Δp超出設(shè)定值時(shí),立刻投入卸荷負(fù)載,當(dāng)Udc超出允許值時(shí),使d=1,完全投入卸荷負(fù)載。瞬時(shí)功率補(bǔ)償和插裝式電力系統(tǒng)模型當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落等故障時(shí),通過(guò)使直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在靜止無(wú)功補(bǔ)償(STATCOM)模式,快速向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持,穩(wěn)定電網(wǎng)電壓,同時(shí)有利于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能?，F(xiàn)將STATCOM模式下的控制應(yīng)用瞬時(shí)功率理論原理描述如下:無(wú)功功率補(bǔ)償功能是由STATCOM的橋式變流器實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)設(shè)置恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓vC*來(lái)控制母線電流iS。iS和母線電壓v所構(gòu)成的瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q是與功率指令PREF和QREF作比較的功率。由STATCOM的變流器產(chǎn)生的實(shí)功率和虛功率,可以用iS和vC*的乘積來(lái)表達(dá),僅僅是STATCOM控制的結(jié)果。p-q理論對(duì)應(yīng)感性電流所給出的虛功率為正值。如電壓和電流的參考方向采用“發(fā)電機(jī)慣例”時(shí),實(shí)功率為正表示變流器提供能量。STATCOM控制功能框圖如圖3所示。本文考慮的是三相無(wú)中性線系統(tǒng),零序分量已被忽略。在圖3中,控制電路上計(jì)算出的實(shí)功率和虛功率為這些瞬時(shí)功率連續(xù)地與其指令值作比較(實(shí)功率和虛功率指令值分別為PREF和QREF)。計(jì)算出的誤差信號(hào)Δp和Δq被用作PI控制器的輸入信號(hào),PI控制器分別產(chǎn)生一個(gè)“虛控制功率”信號(hào)qC和一個(gè)“實(shí)控制功率”信號(hào)pC。這里,Δp和Δq可以取正值或負(fù)值。例如,如果在一個(gè)任意時(shí)刻實(shí)功率指令值為PREF,而如果流過(guò)電網(wǎng)母線的計(jì)算實(shí)功率p小于該指令值,則輸入PI控制器的誤差信號(hào)Δp是負(fù)值,而其輸出信號(hào)qC也取負(fù)值。此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)超前于母線電壓90°的正交補(bǔ)償電壓分量VC*(qC<0),使得母線上的實(shí)功率p按期望值增加,直到誤差信號(hào)Δp下降到零。同樣的分析對(duì)VC*(pC)也成立,它控制母線虛功率q,虛功率q與電壓v和電流iS的乘積相對(duì)應(yīng)。α、β軸上的補(bǔ)償電壓分量為由式(10)可以看出,pC和qC只是基于p-q理論而產(chǎn)生的輔助變量。但是,它們不具有功率的量綱,量綱是V2。上式的Clarke反變換為電網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在STATCOM運(yùn)行模式下,一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是需要向電網(wǎng)提供的無(wú)功功率與變流器無(wú)功參考電流間的關(guān)系同電網(wǎng)電壓跌落深度、故障點(diǎn)與變流器之間的線路阻抗等都有關(guān)系;另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是STATCOM運(yùn)行模式與正常運(yùn)行模式間的順利切換,需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行快速精確的檢測(cè),這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題采用瞬時(shí)功率理論進(jìn)行動(dòng)態(tài)的檢測(cè)和控制,都能夠很好地解決。當(dāng)電網(wǎng)電壓在正常范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),不應(yīng)投入STATCOM運(yùn)行模式,當(dāng)電網(wǎng)電壓低于正常波動(dòng)范圍的下限時(shí),則要通過(guò)STATCOM運(yùn)行模式向電網(wǎng)快速提供無(wú)功支持。卸荷電阻值的選擇取決于需消耗的最大功率及直流側(cè)允許的最高電壓,由于卸荷電阻是以熱能形式把直流側(cè)多余能量消耗掉,因此主要針對(duì)短時(shí)電網(wǎng)電壓跌落。當(dāng)?shù)涑掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),會(huì)造成卸荷電阻產(chǎn)生的大量熱能難以有效釋放,此時(shí)必須采取其他控制策略如NTC負(fù)溫度系統(tǒng)電阻進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較少時(shí),電力系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功也比較少,此時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償可以滿足系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需求;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較多時(shí),系統(tǒng)需要的無(wú)功也較多,此時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)所能提供的無(wú)功更少。所以電壓跌落較深時(shí),只靠風(fēng)電系統(tǒng)的無(wú)功支持可能無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需求,因此一般需要由其他專門(mén)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(如STATCOM、SVC等)和風(fēng)電系統(tǒng)配合為系統(tǒng)提供無(wú)功支持。圖4為帶有STATCOM的直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖。本文所論述的基于瞬時(shí)功率理論的低電壓穿越時(shí)無(wú)功功率控制策略對(duì)于專門(mén)的STATCOM控制同樣適用。故障下的響應(yīng)利用PSCAD搭建了仿真模型,對(duì)上述理論算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng),電網(wǎng)在3s發(fā)生三相故障,3.2s故障消除,保護(hù)未動(dòng)作,電壓波形如圖5所示。系統(tǒng)未工作在STATCOM補(bǔ)償模式時(shí),電網(wǎng)故障后的響應(yīng)如圖6所示。由圖6可知,在不安裝STATCOM和網(wǎng)側(cè)變流器未工作在補(bǔ)償狀態(tài)的情況下,故障發(fā)生后電壓驟降,0.2s后故障消除,而電網(wǎng)電壓持續(xù)低于0.6(pu),無(wú)法恢復(fù),電壓失穩(wěn),風(fēng)電機(jī)組不能繼續(xù)運(yùn)行,并且可能危及接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性。網(wǎng)側(cè)變流器工作在STATCOM補(bǔ)償狀態(tài)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)故障后響應(yīng)如圖7所示。STATCOM發(fā)出的無(wú)功功率情況如圖8所示。由圖7、圖8可知,網(wǎng)側(cè)變流器工作在STATCOM補(bǔ)償狀態(tài)或安裝了STAT-COM裝置的風(fēng)電系統(tǒng)中,發(fā)生故障后STATCOM能夠動(dòng)態(tài)提供無(wú)功支持,風(fēng)電場(chǎng)電壓在較短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù),風(fēng)電機(jī)組能夠連續(xù)運(yùn)行,有效改善了風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。電壓全過(guò)程控制策略本文給出了基于瞬時(shí)功率理論的PMSG系統(tǒng)在電網(wǎng)故障后STATCOM的控制策略和控制算法。詳細(xì)分析了瞬時(shí)功率理論的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的STATCOM控制策略原理。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器工作于STATCOM模式或安裝STATCOM補(bǔ)償裝置時(shí),使系統(tǒng)在電壓跌落時(shí)依然保持與電網(wǎng)連接。故障后,網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在STATCOM模式,依據(jù)電網(wǎng)電壓跌落的深度來(lái)判斷變流器發(fā)出無(wú)功電流的量值,提供動(dòng)態(tài)電壓控制,幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到一定深度時(shí),借助于直流側(cè)卸荷電路來(lái)維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定?；谒矔r(shí)功率理論的控制算法,當(dāng)電壓跌落和恢復(fù)時(shí),可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出時(shí)序邏輯控制,雖增加了系統(tǒng)控制難度。但提高了該類發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越適應(yīng)能力。電網(wǎng)故障引起電壓跌落會(huì)帶來(lái)一系列暫態(tài)過(guò)程,如過(guò)電壓、過(guò)電流或轉(zhuǎn)速升高等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在這種情況下立即解列以自我保護(hù)。當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中占有較大比例時(shí),這種自我保護(hù)式解列會(huì)增加系統(tǒng)恢復(fù)難度,甚至使故障惡化。新的入網(wǎng)規(guī)則要求,電網(wǎng)電壓跌落時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)不脫網(wǎng)運(yùn)行,向電網(wǎng)提供無(wú)功功率,直到電壓恢復(fù),這就是低電壓穿越(Lowvoltageridethrough,LVRT)。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DirectlyDrivenwindTur