3.3　反向电流跟踪控制策略仿真分析

本文在MATLAB/Simulink仿真平台下，以一台1.5MW风力发电机为例进行了仿真，模型参数见表3-1。

在电网电压对称跌落70%工况下做了一组仿真。通常最大电流峰值选为2倍的额定电流峰值Irmax =2Ir=1580A，并且转子线电压峰值应当小于直流母线电压，以确保变流器可控运行。

电网电压跌落时刻转子电流矢量的初始位置不确定，所以单相过电流最大的情况就是转子电流相量的峰值出现在某一相的线电流上。此时线电流达到最大值，也就是最严重的情况，因此取转子电流相量模长的峰值作为故障发生后是否过流的评判标准。

在转子电流可控的条件下，得到转子端口电压、电流峰值关于k的变化曲线见图3-4。

图3-4中纵坐标取过电压、过电流极限值为基准，在保证可控和电流极限范围内，k的取值范围为0.892～0.926。仿真中取k=0.9，故障发生前风力发电机以额定功率输出，在0.2s时刻发生故障。故障后转子端口的等效阻抗为

仿真和公式计算得到的波形对比见图3-5。风力发电机在0.1s并网并以额定功率为控制目标输出，在0.2s发生跌落故障并持续到0.5s。

由于定、转子电流的计算值在故障时刻做了可以突变的假设，电流的第一个波峰和相位都存在偏差，但波形基本相符。转子电流指令的突变，导致在一段时间内转子电压限幅输出，故转子电压波形在故障后第一个波峰附近存在较大的偏差，导致转子电流在一段时间内较快上升。

三相静止坐标系下的转子电压、电流仿真波形见图3-6。在三相对称跌落70%工况下，分别以反向电流跟踪和灭磁控制为例进行了仿真。在0.1s时刻风机以额定功率为功率指令，在0.2s时刻电网发生跌落故障。

图3-6中对称故障下，反向电流跟踪和灭磁控制的转子电流都被抑制在2p.u.以内，反向电流跟踪的衰减速率相对较快。但是从图3-5反向转子电流相量波形可知，电流峰值略超过了最大允许电流值，只是仿真中所取的故障时刻并非最严重的情况。灭磁控制的电压需求较小，但需要较大的转子电流消除定子磁链的直流分量。两种方案的转子电压、电流波形在峰值和衰减过程差异不是非常显著，但是电磁转矩脉动差异较大。理论上，反向电流跟踪不存在转矩脉动，而灭磁控制的定子电流中存在正序分量，转子电流中不存在正序分量，电磁转矩必然存在工频脉动。两种方法都会从电网吸收无功功率，这和等效阻抗为感性的分析结果一致，因此需要考虑何时改变控制目标转而为电网提供无功支撑。负荷不对称跌落90%工况下波形见图3-7。

不对称故障下，两种方法的转子电流峰值都在2p.u.的限制范围以内。由于灭磁控制的转子电流中没有正序分量，正序等效电路的机侧变流器相当于开路，因此需要更高的转子电压去抑制正序电流。灭磁控制的电流波形衰减更为显著，这是由于灭磁控制转子电流中没有正序分量，直流分量所占的比重较大，转子电流随着直流分量的衰减而衰减。而反向电流跟踪控制中含有较大的正序分量，直流分量的衰减对整个转子电流的衰减影响不显著。由于单相跌落故障的正序分量较大，灭磁控制存在比对称跌落时更显著的转矩脉动，而反向电流跟踪基本没有转矩脉动。由于负序分量的存在，有功、无功的脉动更加显著。而在对称跌落故障下，由于没有负序分量，反向电流跟踪和灭磁控制的区别在于正序分量的控制，而深度故障下正序分量较小，因此衰减特性和吸收有功无功的差别不大。

包括本文提出的控制策略在内的深度故障下的励磁控制基本没有吸收电网的有功功率，但是在持续吸收无功功率。当电网发生深度故障时，变流器在保持不脱网的前提下，并没有多余的容量同时提供无功支持。因此，只有在故障深度较浅或者暂态过程过渡到一定阶段时，才应该考虑为电网提供一定的无功支撑。

针对k的取值对控制效果的影响，分别取k为0.87和0.93进行了一组对比仿真，如图3-8所示。

仿真结果表明，对于电流峰值而言，在一定范围内，k的取值对其影响不大。原因是在故障后的一小段时间内电压限幅输出，指令值在一定范围内的大小对其影响较小，主要依靠变流器本身的容量限制了电流的升高。而在可控范围内，k值对电压、电流的影响较为显著。k值越大，则转子电流越大，转子电压越小，吸收无功功率越大，这与端口阻抗特性分析结果一致。

对比式（3-17）和表2-1端口等效阻抗，本文所用方法与灭磁控制、磁链跟踪没有本质的区别，参数取值也比较接近，但控制方法简单、容易实现，不需要复杂的磁链观测，并且可以很好地消除转矩脉动。而与正向电流跟踪控制相比，虽然控制方法类似，但正向电流跟踪需要很高的母线电压来抑制电流，只能实现跌落深度较浅的故障。反向电流跟踪结合了这些控制策略的优点，物理意义清晰、结构简单，在一定跌落深度内能够实现低电压穿越。