低電壓穿越時功率控制策略研究

低電壓穿越時功率控制策略研究

在這項(xiàng)工作中，我們使用了時間間隔理論，并實(shí)時準(zhǔn)確地計(jì)算和檢測電網(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模式和開開電壓輸出，并進(jìn)行了實(shí)時動態(tài)監(jiān)控。瞬時有功和無功功率理論,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)的兩個理論支柱之一,另一個是脈寬調(diào)制理論,即PWM理論。瞬時無功功率補(bǔ)償性能,很大程度上取決于對補(bǔ)償分量的快速精確檢測,而諧波信號是很難精確檢測的。許多瞬時畸變電流檢測方法與理論,如快速傅里葉變換(FFT)、自適應(yīng)濾波電流檢測方法、三相電路瞬時無功畸變電流檢測方法與理論、同步d-q坐標(biāo)系原理、同步檢測方法和陷波濾波器方法等都被用來檢測諧波。本文中的瞬時功率理論突破了傳統(tǒng)功率定義,能夠?qū)崟r計(jì)算系統(tǒng)的瞬時功率值,正好滿足了無功補(bǔ)償裝置快速連續(xù)動作的要求。u3000介紹p-q理論在時域中定義了一整套瞬時功率。因?yàn)閷﹄妷汉碗娏鞯奶匦詻]有施加任何限制,它適用于有中性線或無中性線的三相系統(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單相電路相反,p-q理論將整個三相系統(tǒng)作為一個整體同步處理。p-q理論是采用αβ0變換來定義的,αβ0變換又稱為Clarke變換,它是一個實(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)系中的三相瞬時電壓va、vb和vc映射到αβ0坐標(biāo)系中的瞬時電壓vα、vβ和v0。對于任何三相電壓,Clarke變換和它的反變換為類似地,對于任何三相線電流ia、ib和ic,可以將其變換到αβ0坐標(biāo)系。采用αβ0變換的優(yōu)勢之一是將零序分量從坐標(biāo)系分量中分離出來。α軸分量和β軸分量對零序分量沒有任何作用。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)系得到簡化,則Clarke變換及其反變換就變?yōu)閷τ诰€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)瞬時功率時,這個特性非常適合。傳統(tǒng)的功率定義都有一個前提條件,即系統(tǒng)必須處于穩(wěn)態(tài),而三相瞬時功率在暫態(tài)過程中也是適用的。三相瞬時有功功率p3ue788(t)可以通過相電壓和線電流的瞬時值來計(jì)算若將abc坐標(biāo)系中的量替換為αβ0分量來計(jì)算,則三個瞬時功率,即瞬時零序功率p0、瞬時實(shí)功率p和瞬時虛功率q是基于αβ0坐標(biāo)系下的瞬時相電壓和瞬時線電流來定義的,表示為因?yàn)樵谌嗳€制系統(tǒng)中,沒有零序分量,即i0=0,代表單位時間內(nèi)總能量流的實(shí)功率p可以由α、β軸上的瞬時功率來表示,即p3ue788=p。虛功率q表達(dá)式為虛功率是瞬時三相電壓和某些電流分量的乘積之和,且這些乘積之和對子系統(tǒng)之間的能量傳遞任何時候都不起作用。這與傳統(tǒng)功率理論中,無功功率被定義為瞬時(有功)功率的一個分量,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恒定分量和一個振蕩分量,因此將p和q分解成兩個分量的疊加。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間內(nèi)只沿一個方向流過的能量流;振蕩部分表示單位時間內(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,該能量流對能量的傳遞沒有任何作用。虛功率的平均值與傳統(tǒng)的三相無功功率相對應(yīng),但對能量傳遞不起任何作用。虛功率的振蕩分量所對應(yīng)的功率僅在三相之間進(jìn)行交換,對從電源到負(fù)載的能量傳遞沒有作用。用于計(jì)算補(bǔ)償電壓vC*的一種通用控制方法是對負(fù)載端的相電壓和線電流進(jìn)行測量并變換到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)的無功功率,直流側(cè)卸荷負(fù)載用于電網(wǎng)發(fā)生故障時消耗掉直流側(cè)積累的多余能量。本文重點(diǎn)對網(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)故障時為電網(wǎng)提供一定的無功支持;直流側(cè)的卸荷負(fù)載故障發(fā)生時吸收直流側(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)在電壓跌落時只需保持正常運(yùn)行即可。由dU2dc/R1=Δp確定電壓跌落時卸荷負(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,由卸荷負(fù)載吸收多余的功率。系統(tǒng)正常運(yùn)行時,Udc和Δp在有限范圍內(nèi)波動,此時卸荷負(fù)載不參與工作,d=0;當(dāng)Δp超出設(shè)定值時,立刻投入卸荷負(fù)載,當(dāng)Udc超出允許值時,使d=1,完全投入卸荷負(fù)載。瞬時功率補(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,通過使直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在靜止無功補(bǔ)償(STATCOM)模式,快速向電網(wǎng)提供無功功率支持,穩(wěn)定電網(wǎng)電壓,同時有利于直驅(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)用瞬時功率理論原理描述如下:無功功率補(bǔ)償功能是由STATCOM的橋式變流器實(shí)現(xiàn)的,通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓vC*來控制母線電流iS。iS和母線電壓v所構(gòu)成的瞬時實(shí)功率p和瞬時虛功率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*的乘積來表達(dá),僅僅是STATCOM控制的結(jié)果。p-q理論對應(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,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Δp和Δq被用作PI控制器的輸入信號,PI控制器分別產(chǎn)生一個“虛控制功率”信號qC和一個“實(shí)控制功率”信號pC。這里,Δp和Δq可以取正值或負(fù)值。例如,如果在一個任意時刻實(shí)功率指令值為PREF,而如果流過電網(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Δp是負(fù)值,而其輸出信號qC也取負(fù)值。此時將產(chǎn)生一個超前于母線電壓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Δp下降到零。同樣的分析對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,一個關(guān)鍵問題是需要向電網(wǎng)提供的無功功率與變流器無功參考電流間的關(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;另一個關(guān)鍵問題是STATCOM運(yùn)行模式與正常運(yùn)行模式間的順利切換,需要對電網(wǎng)電壓進(jìn)行快速精確的檢測,這兩個關(guān)鍵問題采用瞬時功率理論進(jìn)行動態(tài)的檢測和控制,都能夠很好地解決。當(dāng)電網(wǎng)電壓在正常范圍內(nèi)波動時,不應(yīng)投入STATCOM運(yùn)行模式,當(dāng)電網(wǎng)電壓低于正常波動范圍的下限時,則要通過STATCOM運(yùn)行模式向電網(wǎng)快速提供無功支持。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,因此主要針對短時電網(wǎng)電壓跌落。當(dāng)?shù)涑掷m(xù)時間較長時,會造成卸荷電阻產(chǎn)生的大量熱能難以有效釋放,此時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。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較少時,電力系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功也比較少,此時永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償可以滿足系統(tǒng)對無功的需求;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較多時,系統(tǒng)需要的無功也較多,此時風(fēng)電系統(tǒng)所能提供的無功更少。所以電壓跌落較深時,只靠風(fēng)電系統(tǒng)的無功支持可能無法滿足系統(tǒng)對無功的需求,因此一般需要由其他專門的無功補(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功率理論的低電壓穿越時無功功率控制策略對于專門的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)未動作,電壓波形如圖5所示。系統(tǒng)未工作在STATCOM補(bǔ)償模式時,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,風(fēng)電場故障后響應(yīng)如圖7所示。STATCOM發(fā)出的無功功率情況如圖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能夠動態(tài)提供無功支持,風(fēng)電場電壓在較短時間內(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)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。電壓全過程控制策略本文給出了基于瞬時功率理論的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)分析了瞬時功率理論的實(shí)時動態(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,使系統(tǒng)在電壓跌落時依然保持與電網(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)電壓跌落的深度來判斷變流器發(fā)出無功電流的量值,提供動態(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,借助于直流側(cè)卸荷電路來維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。基于瞬時功率理論的控制算法,當(dāng)電壓跌落和恢復(fù)時,可以實(shí)時準(zhǔn)確地計(jì)算出時序邏輯控制,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帶來一系列暫態(tài)過程,如過電壓、過電流或轉(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,這種自我保護(hù)式解列會增加系統(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,風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)不脫網(wǎng)運(yùn)行,向電網(wǎng)提供無功功率,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