3.3　反向電流跟蹤控制策略仿真分析

本文在MATLAB/Simulink仿真平臺下，以一臺1.5MW風力發(fā)電機為例進行了仿真，模型參數(shù)見表3-1。

在電網(wǎng)電壓對稱跌落70%工況下做了一組仿真。通常最大電流峰值選為2倍的額定電流峰值Irmax =2Ir=1580A，并且轉(zhuǎn)子線電壓峰值應當小于直流母線電壓，以確保變流器可控運行。

電網(wǎng)電壓跌落時刻轉(zhuǎn)子電流矢量的初始位置不確定，所以單相過電流最大的情況就是轉(zhuǎn)子電流相量的峰值出現(xiàn)在某一相的線電流上。此時線電流達到最大值，也就是最嚴重的情況，因此取轉(zhuǎn)子電流相量模長的峰值作為故障發(fā)生后是否過流的評判標準。

在轉(zhuǎn)子電流可控的條件下，得到轉(zhuǎn)子端口電壓、電流峰值關(guān)于k的變化曲線見圖3-4。

圖3-4中縱坐標取過電壓、過電流極限值為基準，在保證可控和電流極限范圍內(nèi)，k的取值范圍為0.892～0.926。仿真中取k=0.9，故障發(fā)生前風力發(fā)電機以額定功率輸出，在0.2s時刻發(fā)生故障。故障后轉(zhuǎn)子端口的等效阻抗為

仿真和公式計算得到的波形對比見圖3-5。風力發(fā)電機在0.1s并網(wǎng)并以額定功率為控制目標輸出，在0.2s發(fā)生跌落故障并持續(xù)到0.5s。

由于定、轉(zhuǎn)子電流的計算值在故障時刻做了可以突變的假設，電流的第一個波峰和相位都存在偏差，但波形基本相符。轉(zhuǎn)子電流指令的突變，導致在一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)子電壓限幅輸出，故轉(zhuǎn)子電壓波形在故障后第一個波峰附近存在較大的偏差，導致轉(zhuǎn)子電流在一段時間內(nèi)較快上升。

三相靜止坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓、電流仿真波形見圖3-6。在三相對稱跌落70%工況下，分別以反向電流跟蹤和滅磁控制為例進行了仿真。在0.1s時刻風機以額定功率為功率指令，在0.2s時刻電網(wǎng)發(fā)生跌落故障。

圖3-6中對稱故障下，反向電流跟蹤和滅磁控制的轉(zhuǎn)子電流都被抑制在2p.u.以內(nèi)，反向電流跟蹤的衰減速率相對較快。但是從圖3-5反向轉(zhuǎn)子電流相量波形可知，電流峰值略超過了最大允許電流值，只是仿真中所取的故障時刻并非最嚴重的情況。滅磁控制的電壓需求較小，但需要較大的轉(zhuǎn)子電流消除定子磁鏈的直流分量。兩種方案的轉(zhuǎn)子電壓、電流波形在峰值和衰減過程差異不是非常顯著，但是電磁轉(zhuǎn)矩脈動差異較大。理論上，反向電流跟蹤不存在轉(zhuǎn)矩脈動，而滅磁控制的定子電流中存在正序分量，轉(zhuǎn)子電流中不存在正序分量，電磁轉(zhuǎn)矩必然存在工頻脈動。兩種方法都會從電網(wǎng)吸收無功功率，這和等效阻抗為感性的分析結(jié)果一致，因此需要考慮何時改變控制目標轉(zhuǎn)而為電網(wǎng)提供無功支撐。負荷不對稱跌落90%工況下波形見圖3-7。

不對稱故障下，兩種方法的轉(zhuǎn)子電流峰值都在2p.u.的限制范圍以內(nèi)。由于滅磁控制的轉(zhuǎn)子電流中沒有正序分量，正序等效電路的機側(cè)變流器相當于開路，因此需要更高的轉(zhuǎn)子電壓去抑制正序電流。滅磁控制的電流波形衰減更為顯著，這是由于滅磁控制轉(zhuǎn)子電流中沒有正序分量，直流分量所占的比重較大，轉(zhuǎn)子電流隨著直流分量的衰減而衰減。而反向電流跟蹤控制中含有較大的正序分量，直流分量的衰減對整個轉(zhuǎn)子電流的衰減影響不顯著。由于單相跌落故障的正序分量較大，滅磁控制存在比對稱跌落時更顯著的轉(zhuǎn)矩脈動，而反向電流跟蹤基本沒有轉(zhuǎn)矩脈動。由于負序分量的存在，有功、無功的脈動更加顯著。而在對稱跌落故障下，由于沒有負序分量，反向電流跟蹤和滅磁控制的區(qū)別在于正序分量的控制，而深度故障下正序分量較小，因此衰減特性和吸收有功無功的差別不大。

包括本文提出的控制策略在內(nèi)的深度故障下的勵磁控制基本沒有吸收電網(wǎng)的有功功率，但是在持續(xù)吸收無功功率。當電網(wǎng)發(fā)生深度故障時，變流器在保持不脫網(wǎng)的前提下，并沒有多余的容量同時提供無功支持。因此，只有在故障深度較淺或者暫態(tài)過程過渡到一定階段時，才應該考慮為電網(wǎng)提供一定的無功支撐。

針對k的取值對控制效果的影響，分別取k為0.87和0.93進行了一組對比仿真，如圖3-8所示。

仿真結(jié)果表明，對于電流峰值而言，在一定范圍內(nèi)，k的取值對其影響不大。原因是在故障后的一小段時間內(nèi)電壓限幅輸出，指令值在一定范圍內(nèi)的大小對其影響較小，主要依靠變流器本身的容量限制了電流的升高。而在可控范圍內(nèi)，k值對電壓、電流的影響較為顯著。k值越大，則轉(zhuǎn)子電流越大，轉(zhuǎn)子電壓越小，吸收無功功率越大，這與端口阻抗特性分析結(jié)果一致。

對比式（3-17）和表2-1端口等效阻抗，本文所用方法與滅磁控制、磁鏈跟蹤沒有本質(zhì)的區(qū)別，參數(shù)取值也比較接近，但控制方法簡單、容易實現(xiàn)，不需要復雜的磁鏈觀測，并且可以很好地消除轉(zhuǎn)矩脈動。而與正向電流跟蹤控制相比，雖然控制方法類似，但正向電流跟蹤需要很高的母線電壓來抑制電流，只能實現(xiàn)跌落深度較淺的故障。反向電流跟蹤結(jié)合了這些控制策略的優(yōu)點，物理意義清晰、結(jié)構(gòu)簡單，在一定跌落深度內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越。