自适应PI控制的双馈变流器高电压穿越工况研究
韩永豪，聂满仓
（许昌许继风电科技有限公司，河南许昌461000）
摘
要：针对电网高电压条件，分析了双馈变流器的数学模型，推导出电压骤升下双馈电机的定子磁链与转子电压分
量。提出一种新型高电压穿越方案，网侧变流器发出感性无功；转子采用自适应PI控制器，在电网电压正常时设置带宽较小的PI参数，以获得较好的电能质量，在故障时刻设置带宽较大的PI参数，以获得较快的动态响应。仿真研究与样机测试均表明，所提方案具有较好的动态效果，能够实现高电压穿越功能。关键词：变流器；双馈变流器；高电压穿越；自适应
Abstract：Forhighvoltageconditionsofpowergrid，themathematicalmodelofdoubly－fedconverterisanalyzed，andthesta-torfluxcomponentandtherotorvoltagearederived．Anovelhighvoltageride－throughcontrolstrategyisproposed，thatis，thegrid－sideconverterproducesreactivepowerandtherotor－sideconverterusesadaptivePIcontroller．Whenthegridvolt-ageisnormal，thesmallerbandwidthPIisusedtoobtainabetterpowerquality．Whenthegridvoltageishigh，thelargerbandwidthPIisusedtoobtainafastdynamicresponse．Simulationandprototypetestshowthattheproposedschemehasgooddynamiceffectandcanachievethehighvoltageride－throughfunction．
Keywords：converter；doubly－fedconverter；highvoltageride－through；adaptive中图分类号：TM761
文献标志码：A
文章编号：1003－6954（2015）01－0047－04
HVＲT技术集中在两种方向：一对双馈变流器，
0引言
是改进硬件方案，通过转子侧增加主动式Crowbar、直流侧增加DCChopper，来实现对过压时的能量泄放
［2］
风电装机容量居于世界第一，但由于风电目前，
场多采用集中式大规模分布，其发电效率低、电能质量差容易引起电网波动。例如，对普遍存在低电压LVＲT）现象，穿越（lowvoltageride－through，风电场SVC、SVG等无功补偿装置，常采用投入FC、但现有的无功补偿装置控制精度较差会引起无功过剩，导致电压恢复时产生过电压现象。
针对高电压穿越技术（highvoltageride－through，HVＲT），如澳大利亚国外已有完整的标准，AEM、加拿大AESO、爱尔兰EIＲGＲID、丹麦Energin-et．dk。它们在低电压穿越、高电压穿越等方面都有详细的标准规范和技术要求
［1］
；二是通过改进软件算法，对网侧变流器进行
吸收过剩无功控制，对机侧变流器进行控制参数优3］提出了机侧虚拟阻抗的控制方案，化。文献［可4］指出虚拟阻抗方加速转子直流量衰减，但文献［HVＲT案效果有限，难以抑制转子侧的过流。目前，下转子侧交直流分量的振荡抑制仍是难题。
于是提出一种新型的HVＲT方案：1）在网侧发出感性无功，保持直流母线电压的稳定；2）在机侧设计自适应PI控制器动态调节PI参数，加快因定子磁链突变产生的转子交流分量衰减；3）硬件上采用主动式Crowbar、直流Chopper，来实现对过压时的能量泄放。
Matlab仿真验证了所提方案的有效性，为实际产品的应用提供了参考依据。
。
国内并没有关于HVＲT的国家统一标准，如GB/T19963－2011《风电场接入电力系统技术规定》只有低电压穿越（LVＲT）的相关标准，没有HVＲT的具体标准。国内的冀北电科院提出了一些HVＲT标准，并在2013年1月，针对金风科技做了首次的HVＲT测试工作，但只是个案测试，不能成为行业标准。
1．1
1双馈变流器的高电压穿越模型
双馈变流器网侧HVＲT模型
·47·
采用定子磁链定向矢量控制技术，对双馈发电机的模型进行分析。由于兆瓦级发电机的定转子电阻很小，为简化分析忽略其定转子电阻的影响。
忽略定在电网电压正常时，定子磁链ψs恒定，子电阻，稳态定子磁链矢量可表述为
Vsdq=jωsψsdq
势与转子滑差ωslip成正比。
Edq=jωslip
Lm
ψLssdq
（7）（6）
忽略转子电阻项，稳态时双馈发电机的反电动
图1
网侧变流器的等效电路图
将同步旋转坐标系的d轴定向于电网电压矢量um为电网电压的幅值，ug的方向上，电网电压的d－q分量为
定子磁链不在电网电压发生过电压骤升瞬间，
会像电网电压一样突变并产生直流分量。该直流分量在d－q同步旋转坐标系下变为交流扰动项，并以定子磁链时间常数衰减。
电网突变前后正序同步旋转坐标系下的定子磁链方程为
{
输入电流满足
ugd=umugq=0
（1）
{
响。m满足
dids
=－Ｒids+ωgLiqs+um－udsLdtdiqs
=－Ｒiqs－ωgLids－uqsLdt
（2）
ψsdq（t）=
uqs为整流器交流侧电压的d－q轴分量；uds、式中，
iqs为电流［5－7］。ids、
q轴电流除受控制量uds、uqs的制约上式表明d、
ω1Liqs和电网电压的影外，还受交叉耦合项ω1Lids、
采用电压空间矢量SVPWM调制理论，调制比
m=
ds+uqs/udc≤1/2{
ψsdq0=
Vsdq0
jωs
t＜t0t＞t0
（8）
－t－jt
ψsdq2+（ψsdq0－ψsdq2）eσeωs
Vsdq0分别为电压骤升前的定子磁链与定ψsdq0、式中，
Vsdq2为电压突变稳态后的定子磁链与子电压；ψsdq2、
定子电压；σ为定子磁链时间常数。
忽略定子电阻项，转子电流环中反电动势可表述如式（9）。
Lm
jωslipψsdq0－jωslip（ψsdq0－ψsdq2）ε（t）－Ls
（9）
（3）
Edq（t）=
L当系统进入稳态时，
diqsdids
=0，L=0，并忽略dtdt
jωr（ψsdq0－ψsdq2）e－σte－jωrtε（t）］
则由式（2）、式（3）可得进线电阻Ｒg上的压降，
udc≥2
+LI）+（－ωgLIds）uωmgqs电网电压突变后，反电动势分量由三项组成。
（4）
1）第一项对应的是电网电压稳态情况的定子磁链，其幅值很小。
2）第二、三项是在电网电压突变下产生的，其中第三项在转子d－q同步旋转坐标系中为振荡衰减项，由于电网电压突变下反电动势的幅值很大，其感应的转子电流、电压的幅值也较大。
通常情况下直流项的衰减较快。若定子磁链时间常数较小，振荡项衰减较慢，转子电流动态性能较差。
式（4）给出了网侧变流器进入稳态后直流母线电压、电网相电压峰值、进线电感以及负载电流间的关系。
HVＲT期间，um升高，为保持直流母线电压udc
可利用进线电抗进行分压，即网侧变流的稳定控制，
器输出一定的感性无功电流Iqs。
根据式（4）可得出网侧变流器正常工作时，其无功电流最小值、电网相电压峰值、有功电流间的关系为
Idsmin=1．2
1－um］（5）dc/4－（－ωgLIds）ωgL
2双馈变流器的高电压穿越方案
采用图2的硬件方案，其中转子为高电压穿越，
双馈变流器机侧HVＲT模型
·48·
直流侧采用Chopper
。侧采用Crowbar，f（idr1）、f（iqr1）作为交流扰动项，扰动项与其中，
转子电流的传递函数为
G（s）=
1
1+f（σ）s
（13）
iqr1为频率为50±fri的交流分量，考虑idr1、故可通过动态调节PI的积分增益使其截止频率高于fg±fri，达到快速衰减的目的。
具体实现过程是，动态监测电网电压：①当电网
图2
双馈变流器的电路图
电压正常时，设定带宽小于PI参数fri的积分项，以获得电能质量较好的转子电流。②当电网电压骤升以获得较快的动时，设定带宽小于fg±fri的PI参数，态穿越效果。
2．1双馈变流器网侧HVＲT方案由公式（5）可得无功电流的最小值为Iqsmin
1=－um］dc/4－（－ωgLIds）ωgL
1
u/2－um］ωgLdc
考虑动态过程Ids的突变，无功电流应至少为
I*qs=
（10）
3
3．1
仿真分析
仿真参数
双馈变流器系统参数如下。
电网线电压690kV（ＲMS），适用于频率50Hz，
为完成较大的感性无功出力，在1．15p．u．高电压时，统一按网侧基准电流0．5p．u．发出感性无功。2．2
双馈变流器机侧HVＲT方案以下设计自适应PI调节器复正常后恢复PI参数。
当电网电压稳定时，转子电压与电流的关系为
［8，9］
额定功率2MW的双馈电机。
，在转子电流交
Lcon=0．Lg=0．4mH，网侧变流器LCL滤波器，
Udc电2mH，C=60μF。直流母线电容C1=12mF，压指令Udc*=1100V。电流标幺基准值Ie=310A（ＲMS）。开关频率2500Hz。
转子进线电抗0．06mH，电流标幺基准值Ie
=
（11）
650A（
ＲMS）。开关频率2500Hz。3．2
仿真分析结果
流分量振荡较大的情况下，增大PI参数，在电压恢
{
感。fri。
udr=Ｒridr+Lruqr=Ｒriqr+Lr
idt
dtiqrdt
udt、uqr为转子电压电流；Ｒr、Lr为等效电阻电其中，
1
Ｒr+Lrs
传递函数为G（s）=
udr、当电网骤升故障过程中，由公式（9）可见，
uqr中含有转子交流振荡项，其频率为定子电压在转子d－q同步坐标系下的频率，即频率为fri1=50±
fri1为转子交流振荡电流频率，fri为转子电其中，流基波频率。
考虑了转子交流振荡电流的转子电压与电流的公式为
图3
网侧无功指令与反馈分量
{
udr=Ｒridr+Lr
idr
+f（idr1）dt
iqr
+f（iqr1）uqr=Ｒriqr+Lr
dt
（12）
图4网侧三相电流波形
2～3s，电压处于1．15p．u高图3、图4显示，
·49·
网侧变流器输出0．5p．u．的无功电流分量，网压时，
侧变流器的交流分量显著上升，此时需要放大网侧过流保护值
。
压穿越方案，网侧变流器发出感性无功；转子采用自适应PI控制器，在电网电压正常时设置带宽较小的PI参数，以获得较好的电能质量，在故障时刻设置带宽较大的PI参数，以获得较快的动态响应。
通过仿真分析，所提方案完全能够实现1．15p．u．过电压工况下的高电压穿越功能，显示了良好的动态响应效果。
参考文献
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2003．出版社，作者简介：
韩永豪（1987），工程师，研究方向为大功率变流本科，器技术；
图5、图6显示，采用常规PI，转子电流d－q分量在过电压穿越过程中，出现交流振荡电流，其频率为70Hz。采用自适应PI控制器，明显加快了交流振荡项的衰减时间，并且振荡幅值大幅减小，说明所设计的自适应PI控制器效果较佳
。
图7机组总功率波形
2～3s发生1．15p．u．过电压，由于网侧图7中，
输出了感性无功电流，机组总无功出现－0．12p．u．的感性无功。由于转子有功电流保持稳定，机组总有功达到1．2p．u．左右，这对变流器的硬件是一种考验。
4结论
聂满仓（1985），工程师，研究方向为大功率变流硕士，器技术。
（收稿日期：2014－09－17）
对双馈变流针对风场电网高电压的恶劣工况，器的高电压穿越技术做了详细研究。
通过分析HVＲT暂态过程，提出一种新型高电
·50·