通过超导故障限流器和无功功率补偿器协同控制提高带有双馈感应发电机的风电场瞬态电压稳定性
摘要：本文研究一个基于双馈感应发电机，9-MW的风电场瞬态电压稳定性，此风电场集成一个基于无源电压补偿器的超导故障限流器(SFCL)和基于有源电压补偿器的瞬态电压控制器(TVC)。为实现有效的控制方式，介绍了两种电压补偿器的基本合作操作和建模。此外，还对TVC和SFCL阻抗的比例积分参数的设计进行了技术讨论。该系统的具有自主动电压补偿特性和主动TVC的智能无功补偿特性。仿真结果表明，该系统的协同控制可以实现高定子电压电平和高输出无功功率，有效地实现电网连接和电压支持。
索引词——双馈式感应发电机(DFIG)、无功功率控制、超导故障电流限制器(SFCL)、瞬态电压稳定、风场。
1.前言
由于由多个双馈电感应发电机(DFIGs)组成的风力发电场在电网故障中往往缺乏短暂的电压支持能力，因此现代电力系统的安全性和稳定性受到大规模风能集成的严重影响。大型风力发电场的分离可能会导致系统不稳定，而其微弱的电网支持能力可能导致电压崩溃。为了在电网故障中实现有效的电网连接和电网电压支持，在普通耦合点(PCC)的瞬态电压应满足规定的限压时间曲线，并且根据加强的国际电网规范，要求风电场也需要无功功率支持。
常用的方法有两种，一种是采用一个动态电压恢复器(DVR)作为串联
2016年3月1日收到的手稿;2016年5月22日接受。出版日期为2016年5月30日;2016年6月28日的最新版本。科学技术项目在格兰特的领导下。这项工作在一定程度上得到了国家电网福建电力公司的支持。
图1.带有超导故障限流器的一个风电场网络示意图。
电压注入器和一个动态的VAR补偿器(STATCOM)被并联为无功功率源，用来补偿降低的PCC电压，但是这些装置增加了风力涡轮机系统的复杂性和可靠性。另一种常用的方法是修改DFIG转换器的控制器(TVC)来进行瞬态电压控制，但由于在电网故障中极低的定子电压条件，其可用的无功功率不足以支持PCC电压。由于超导磁能量存储的限制，使可允许的故障电流产生变化，在严重压降的情况下，中小企业的瞬态电压稳定性可能会降低。最近提出了一种很有希望的解决方案，采用超导故障电流限制器(SFCL)进行控制，并经过的验证，有效地改善了PCC电压，但只有一个SFCL不能提供任何支持有效电压的无功功率。虽然没有考虑到DFIG自身的电网支持能力，但在合作中小企业中SFCL的卓越控制效果已得到确认。
将有效的PCC电压改进与来自DFIG的充分反应能力相结合，提出了一种新型的sfcltvc合作控制方案，以保持电网与DFIGs的瞬态电压稳定。本文介绍了其协同操作原理、SFCL建模、TVC控制策略、参数设计、性能评价和比较等方面的技术讨论，以说明其可行性和实用性。
2.基本原理
图1展示了一个由6个1.5兆瓦感应发电机DFIG组成的网状风力发电系统，它在总线1和变压器T1之间安装一个SFCL。其等效的三相接地
图2. SFCL的等效电网故障分析模型
故障下的电网故障分析模型如图2所示。使用基本的回路分析方法[11]，故障前后的DFIG定子电压的变化估计为：
(1)
其中是DFIG的等效瞬态阻抗; ZSFCL是SFCL等效的阻抗;ZT1是变压器T1的传输阻抗; Z2是来自传输线、变压器T2和电网的传输阻抗的总和;Zf是故障阻抗; 是电网电压;即DFIG的瞬态电动势。注意由于故障期间可忽略的值，因此（1）中的第二项几乎等于零。
除了导致定子压降外，三相接地故障还会导致严重的定子电流故障。 当故障定子电流超过串联SFCL的线路的临界电流时，自动SFCL阻抗将突然增加，从而在SFCL两端形成相对较大的正向电压降，从而根据（1）得出定子压降。这意味着SFCL可用作无源定子电压补偿器。
从典型DFIG系统中无功功率支持与可用的TVC支持的角度来看，转子侧转换器（RSC）和电网侧转换器（GSC）都可以控制其在电网中产生无功功率[1]，[3]-[6]。来自DFIG定子和GSC的总无功功率输出可表示为：[1][5]
(2)
其中V、i分别为电压和电流;下标s，g分别代表定子和GSC侧;下标q表示q轴分量;n是风电场系统中DFIG
图3. SFCL和TVC的基本合作操作。
图4.基于SFCL的无源定子电压补偿器模型。
的数量。
可以看出，改进后故障的定子电压对Qs，total和Qg，total有正面影响。对于相应的定子和GSC，作为有源定子电压补偿器可提供更高的无功功率输出。
因此，SFCL和TVC的合作运行具有很大的潜力，可以满足电网故障期间定子电压的改善和对无功功率支持的实际要求。其基本的协同工作原理如图3所示。SFCL等效于一个与故障电流相关的升高电压源VSFCL，而DFIGs则被视为一个与定子电压相关的可调无功电流源Iq。 当定子电压Vs低于其额定值的0.9倍时，DFIG变换器的控制器驱动定子和GSC提供无功电流[2]。因此，增加的VSFCL补偿了定子压降，同时来自DFIG提供的无功电流产生的无功功率，用于实现在电网故障期间不用断开电网连接。
3.建模与分析
A.无源电压补偿器
对于无源定子电压补偿器，由于SFCL阻抗ZSFCL的实时变化，因此，将与故障电流相关的可控电压源(CVS)用于模拟SFCL两端的电压变化。实际上，ZSFCL可以从电感型SFCL或电阻型SFCL获得。在这项工作中采用电阻型SFCL，其模型如下[10]：i）当电网电压下降并且产生的故障电流Ia,b,c（t）超过SFCL的临界电流Ic时，猝熄状态开始，因此SFCL电阻RSFCL（t）按指数规律增加到最大值Rm，
图5.不同Rm下的定子电压和能量消耗
定 子 电 压
SFCL 阻抗
能源消耗
定子电压
图6. RSC的控制图
即RSFCL（t）= Rmtimes;[1-exp（-t/tau;1）]; ii）随后，当故障消失并且电网电压恢复时，恢复状态开始，RSFCL（t）的指数地减小到零，即RSFCL（t）=Rmtimes;exp（-t/tau;2）。其中，tau;1和tau;2分别是猝灭周期和恢复周期的时间常数。
基于上述SFCL建模过程，SFCL的被动定子电压补偿器模型如图4所示，然后在MATLAB/ Simulink中建立并网风电场模型。不同SFCL电阻Rm下的定子电压和能量消耗如图5所示。可以看出，更高的Rm适合于更好地改善瞬态定子电压Vs。这些模拟结果与理论公式（1）相近。但是，大量的能耗可能会影响SFCL在实际中的电压补偿效果。例如，SFCL电阻应该高达16mOmega;，才可达到北欧电网有效并网所需的最低定子电压等级0.25pu[2]。会产生150毫秒故障，期间的能耗约为677千焦。如此大的能量消耗可能会导致故障发生后温度迅速升高和液氮蒸发，甚至减缓故障排除后的恢复过程。这可能会导致电压过高并严重恶
图7. GSC的控制图
能 源 消 耗
图8.具有TVC能力的RSC和GSC的控制图
化电压稳定性[9]，[10]。
B.有源电压补偿器
图6和图7显示了RSC和GSC的控制图[4]，[6]，[12]。基于定子电压矢量控制方法，通过相对独立的d轴和q轴控制回路实现有效的解耦控制。 RSC控制定子的有功和无功功率 （Ps,Qs），而GSC调节直流母线电压（Vdc）并向电网提供所需的无功功率（Qg）。以RSC控制为例，d-q中电流基准和分别由转子转速（omega;r）和定子无功功率（Qs）通过PI控制器产生。通过将和与实际电流和进行比较，将所获得的信号用作以下两个PI控制器的输入，以生成电压信号和。两个电压信号由交叉耦合项-补偿，和前馈电流形成d-q电压基准和。和都被转换为三相转子电压参考值，和，这些参考值被传递到脉宽调制（PWM）模块以生成用于驱动
表1
PI控制器和SFCL的参数
参数
数值
参数
能 源 消 耗
定 子 电 压
SFCL 阻抗
定子电压
能源消耗
数值
图9.TVC下不同Rm下的定子电压和能量消耗。
IGBT栅极的控制信号RSC。
图8显示了具有TVC能力的RSC和GSC经修改后的控制图。在正常情况下（N），由于DFIG转换器的额定功率较低，并且单位功率因数运行通常是先期的，即RSC和GSC的无功功率基准都设置为零，以减少损耗并最大化功率传输。在故障条件（F）下，无功功率基准由瞬态电压PI控制器获得，该控制器使用定子基准电压和实际定子电压Vs之间的差值作为输入信号。由于定子侧的无功功率控制是通过仅处理滑差功率的RSC来实现的[13]，所以协调原则是优先使用RSC用于无功功率支持，直到其达到额定功率值，然后GSC也是需要产生额外的无功功率。此外，图8中的电流必须低于转子电路和GSC的电流极限。
C.关于PI控制器和SFCL参数设计的技术讨论
上述TVC策略由几个不同的PI控制器组成。为了提高风电场系统瞬态电压稳定性[14]-[17]，需要适当地设置这些控制器的参数以提高控制性能。作为标准方法，在设计PI控制器时，极点放置技术在工业应用中被广泛接受。其原理是设计具有指定极点和零位的闭环传递函数控制器。由于其在参数选取会对高效性和鲁棒性产
时间
SFCL 阻抗
图10.三相接地故障下的SFCL电阻行为
定 子 无 功 电 流
时间
图11.不同方案下DFIG定子的无功电流。
生影响，因此，需通过计算来选取TVC策略中PI控制器的参数。表1给出了1.5MW双馈发电机系统的PI参数，详细的设计过程见[14]，[15]。
使用表I中的PI参数来调控TVC控制器，将其与SFCL配合使用。如图9所示，只有一个5mOmega;的SFCL电阻可以用来保护定子电压，使其在全球所需的最低电压水平0.25pu以上，以实现有效的并网[2]。图5的方案中除了采用唯一的16mOmega;SFCL，以降低SFCL磁体成本的之外，降低的SFCL电阻也有利于平滑故障排除后的瞬态电压恢复。请注意，通过形式极点配置技术获得的PI参数可能会受到DFIG系统非线性和高复杂度的影响。为了实现PI控制器和SFCL的组合参数的优化，诸如粒子群算法（PSO）[16]和教学优化算法（TLBO）等智能算法在实际工程设计中可能是可行的。
GSC无 功 电 流
时间
图12. GSC在不同方案下的无功电流示意图。
无保护
时间
无 功 功 率
图13.不同方案下的无功功率示意图
时间
定 子 电 压
无保护
图14.不同方案下的定子电压示意图
4.模拟结果与分析
为了评估所提出的SFCL-TVC协同控制方案对图1中9兆瓦风电场的瞬态电压稳定性的影响，模拟条件设置如下：在t=0.1s时在总线2上发生三相接地故障，故障持续时间t和故障阻抗Zf分别设置为150ms和1mOmega;。为了模拟故障期间SFCL电阻的实际变化，时间常数tau;1和tau;2分别设置为0.4ms和5ms。如图10所示，在猝熄和恢复期间动态电阻变化持续时间约为2ms和19.5ms。SFCL猝熄电阻产生一个等效电压源，这增加了瞬时PCC电压，从而有助于系统电压稳定性。
A.瞬态电压稳定性分析
图11-14分别表示向风电场DFIG注入的无功电流，无功功率和定子电
时间
能 源 消 耗
图15.三相SFCL中的能耗示意图。
能 源 消 耗
图16.不同方案下的能耗比较。
压的情况。仅使用TVC时，尽管DFIG可以提供约1.013pu的无功电流，即定子侧约为0.810pu和GSC侧约为0.203pu，从而满足电网规范要求[2],[5],[6]。极低的定子电压将输出无功功率限制在〜0.085pu，从而使电压从〜0.016pu提高到〜0.062pu。只有SFCL时，如在没有保护的情况下，且没有无功功率支持，定子电压可以达到〜0.091pu。当SFCL和TVC协同运行时，DFIG可以输出〜0.140 pu的无功功率，最小定子电压也可以提高到〜0.25 pu，以满足北欧电网的要求[2]。
此外可以
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