永磁風電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略研究

鄭榮美，朱 凌

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引言

隨著全球能源短缺和環(huán)境惡化，各國逐漸認識到發(fā)展可再生能源的重要性，風力發(fā)電得到了迅速發(fā)展。永磁直驅風電系統(tǒng)省去了故障率高的齒輪箱，具有機械損耗小、發(fā)電效率高、成本低、低電壓穿越能力強等優(yōu)點，具有不錯的發(fā)展前景。

電網電壓跌落會對風電系統(tǒng)的直流側電容器和電力電子器件造成不利影響。新的入網規(guī)則規(guī)定，風電機組在并網點發(fā)生電壓跌落的時候，風機應保持不脫網，并向電網提供一定的無功支持，以加快電網電壓的恢復，這就是低電壓穿越。

本文針對Boost 升壓型永磁直驅風電系統(tǒng)，在電網電壓跌落期間，通過把網側的功率信號引入發(fā)電機側，作為發(fā)電機輸出功率參考值，減少了直流兩側的功率不平衡，防止了直流過電壓。根據電網的跌落深度以及國網公司對并網技術要求，迅速向電網輸出無功，以提升電網電壓，從而實現低電壓穿越。

1 低電壓特性分析

本文采用“不可控整流+ Boost 升壓+ PWM逆變型”永磁直驅風電系統(tǒng)，拓撲結構如圖1。

圖1 永磁直驅風電系統(tǒng)拓撲結構Fig．1 PMSG system

當電網電壓發(fā)生三相對稱性跌落故障時，升壓斬波電路的作用是保持永磁直驅同步發(fā)電機(PMSG)正常運行，實現最大功率追蹤，然而逆變器側的容量有限，注入電網的功率會瞬時減小。Boost 斬波環(huán)節(jié)的電容器兩側的功率不平衡。如下式:

式中:Pgen為發(fā)電機輸出的有功功率;ω 為電容器的儲存的能量;u 為直流母線的電壓;ΔP 為直流兩側的功率差。由公式(3)可知，電容器兩側的功率差會導致直流電容的電壓迅速上升，可能會超過其承受能力。傳統(tǒng)的控制策略是在直流環(huán)節(jié)增加卸荷電阻來消耗掉ΔP。然而當跌落的時間較長時，卸荷電阻的熱量難以耗散，需增加額外的冷卻設備。本文提出的控制策略無需增加任何專門元件，提高了經濟性。

2 Boost 升壓環(huán)節(jié)的控制

發(fā)電機發(fā)出交流電，經過不控整流器和Boost升壓環(huán)節(jié)，由逆變器并入電網。當風速低于額定風速時，發(fā)電機輸出的功率在額定功率以下，通過控制發(fā)電機的電磁轉矩，改變風機的轉速，實現最大功率追蹤［1］。Boost 升壓環(huán)節(jié)的數學表達式如下:

當可控開關導通時，α =1;當開關關斷時，α=0。

在最大功率-轉速曲線給定情況下，可根據所測得的轉速計算出最大功率參考值。由于電樞電流和發(fā)電機的電磁轉矩成正比，故可令電磁轉矩作為電樞電流的參考值，與電樞電流的測量值的偏差經過PI 控制器，再與三角波比較產生脈沖來控制升壓斬波器中可控開關的通斷［2，3］。

當電網電壓跌落后，由于風速和轉速輸入量沒有發(fā)生變化，此時發(fā)電機機側仍可以保持最大功率輸出，可以通過減少發(fā)電機的輸出功率來限制機側直流側電壓的上升。當電網電壓跌落時，把發(fā)電機輸出功率的參考值切換到網側變流器的輸出量。跌落消失后，切換回最大功率追蹤狀態(tài)［4］。控制框圖如圖2 所示。電壓跌落檢測模塊fcn 函數如下:

其中，u 為電壓輸入端口;u1 為最大功率追蹤輸入功率;u2 為網側功率測量值輸入端口。

圖2 Boost 升壓控制電路框圖Fig．2 Boost control diagram

3 網側變流器的控制策略

網側變流器在dq 同步旋轉坐標系下的數學模型如下:

把電網電壓矢量定向于d 軸，可知eq為零。于是得到:

式中:P 為逆變器輸送到電網的有功功率;Q 為逆變器輸送到電網的無功功率。通過分別控制有功和無功電流，即可實現對網側有功和無功的獨立控制。實現了有功和無功的解耦［5］。若令iq為零，即可實現單位功率因數并網。

當電網電壓跌落時，若保持單位功率因數并網，對電網的低電壓運行會很不利。因此，提出一種網側運行于無功優(yōu)先模式下的控制策略，如圖3 所示。

國家標準要求MW 級以上的風電場群，每個風電場在低電壓穿越的過程中應注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流為

圖3 網側逆變器的外環(huán)控制結構圖Fig．3 Block diagram of grid-side inverter controller

電網電壓正常時，網側保持有功輸出最大化，無功輸出為零。當電網電壓發(fā)生跌落到0.9 以下時，根據公式(8)可得到網側無功電流的參考值。

直流電壓環(huán)的輸出作為有功電流的參考值。由于網側變流器的容量是有限的，故有功電流的限幅值如下式:

若有功參考電流小于限幅值，表明網側變流器能對直流側電壓進行調節(jié)，否則表明調節(jié)器已達飽和［6，7］。

有功電流環(huán)和無功電流環(huán)的fcn 函數模塊小程序如下:

其中，u1 為直流電壓環(huán)經過PI 的值;u1 為有功電流的限幅值。

其中，u1 =1.5 × (0.9 －Us) ×1

u 為電網電壓測量值;u1 為電網規(guī)定的無功電流指令;u2 為電網電壓環(huán)無功電流的輸出值。

4 仿真驗證

基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，搭建了改進的Boost 升壓型永磁直驅風電系統(tǒng)。具體仿真參數為:額定風速為11 m/s，風電系統(tǒng)容量為50 ×2 MW。額定電壓是690 V，額定頻率為50 Hz，發(fā)電機極對數為38，定子電阻Rs=0.006 6 Ω，直軸電抗Ld=0.001 4 H，交軸電抗Lq=0.002 4 H，直流電壓為1 200 V，網側限流值為1.1 p. u．。網側電壓的跌落50%，持續(xù)時間0.2 s。本仿真系統(tǒng)由50 臺風電機組組成的風電場，整個系統(tǒng)的仿真如圖4 所示，仿真結果如圖5 所示。

圖4 風電場仿真圖Fig．4 Simulink diagram of wind farm

由圖5 (a)可知當電網電壓跌落50%時，網側電壓迅速上升到0.65 p．u．，表明網側變流器輸出了無功功率，提升了電網電壓。

由圖5 (b)可知在正常運行狀態(tài)下，風電機組輸出的無功功率約為0;當電網電壓跌落50%時，輸出的40 Mvar 的無功功率，表明網側變流器運行在無功優(yōu)先模式。

由圖5 (c)可知在正常運行狀態(tài)下，風電機組輸出全部的有功功率;當電網電壓跌落50%時，輸出的有功功率為70 MW。

圖5 (d)表明控制策略改進后，在電網電壓跌路通過把網側的功率信號引入機側，減小了電網電壓跌落期間的直流兩側的功率差，大大降低了直流側電壓。

圖5 (e)表明在正常運行狀態(tài)下，風機的輸入機械功率等于輸出電磁功率，故轉速恒定。當電網電壓跌落時，通過改進機側變流器控制策略，限制了發(fā)電機的輸出功率。此時風機的輸入和輸出功率不平衡，導致轉速增加，由于風機的轉動慣量很大，故轉速增加不多。

5 結論

本文提出一種新的適合于永磁直驅風電系統(tǒng)的低電壓穿越控制方案。通過限制發(fā)電機的輸出功率來限制直流側的過電壓，并且使網側變流器運行于無功優(yōu)先輸出模式，提升跌落期間的電網電壓，增強了風電系統(tǒng)低電壓穿越的性能。該控制方案無需任何多余的硬件保護裝置。本文僅僅針對電網電壓三相對稱跌落故障，對于不對稱跌落故障有待進一步研究。

［1］龔晴晴，朱凌，張祥宇．基于不控整流型直驅風電系統(tǒng)的最大功率跟蹤［J］．電力科學與工程，2011，27(2):1-5．Gong Qingqing，Zhu Ling，Zhang Xiangyu．Maximum power tracking of direct drive wind power system based on uncontrolled rectifier ［J］．Electric Power Science and Engineering，2011，27 (2):1-5．

［2］龔晴晴．永磁風力發(fā)電機組斬波器型全功率并網變流技術研究［D］．保定:華北電力大學，2011．

［3］劉勝文，包廣清，范少偉，等．兆瓦級直驅永磁風電系統(tǒng)低電壓穿越研究［J］．中國電力，2011，44 (2):69-73．Liu Shengwen，Bao Guangqing，Fan Shaowei，et al．LVRT of a MW-level wind turbine unit with a direct-driven permanent magnet synchronous generator ［J］．Electric Power，2011，44 (2):69-73．

［4］姚駿，廖勇，莊凱．電網故障時永磁直驅風電機組的低電壓穿越控制策略［J］．電力系統(tǒng)自動化，2009，33(12):91-96．Yao Jun，Liao Yong，Zhuang Kai．A low voltage ride through control strategy of permanent magnet direct-driven wind turbine under grid fault ［J］．Automation of Electric Power Systems，2009，33 (12):91-96．

［5］瞿興鴻，廖勇，姚駿，等．永磁同步直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的并網變流器設計［J］．電力電子技術，2008，42(3):22-24．Qu Xinghong，Liao Yong，Yao Jun，et al．Design of gridconnected converter for a permanent magnet synchronous di-rect-drive wind power generation system ［J］．Power Electronics，2008，42 (3):22-24．

［6］李建林，許洪華．風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2009．

［7］李建林，胡書舉，孔德國，等．全功率變流器永磁直驅風電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究［J］．電力系統(tǒng)自動化，2008，32 (19):92-95．Li Jianlin，Hu Shuju，Kong Deguo，et al．Studies on the low voltage ride through capability of fully converted wind turbine with PMSG ［J］．Automation of Electric Power Systems，2008，32 (19):92-95．