基于電勵磁直驅風電系統低電壓運行特性的研究

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）

前言

近年來，能源和環境問題得到了高度重視，風電產業得到了迅猛發展。直驅風電系統發電機和風機直接相連，省去了易出現故障的齒輪箱，機械損耗小，發電效率高，得到了廣泛的應用。

低電壓穿越是指當電力系統中風電裝機容量的比例較大時，在一定的電網電壓跌落范圍內，風電機組能夠保持不脫網，并向電網提供一定的無功支持，直到電網電壓的恢復。本文針對電勵磁直驅風電系統，提出一種限制機側變流器的有功電流分量且使網側變流器運行于無功優先輸出模式的控制策略。

1 直驅風電系統最大功率追蹤

風機獲得的機械功率為[1-2]：

把（2）代入（1）可得到：

ρ為空氣密度，CP為功率系數，θ為槳距角，λ為葉尖速比，v為風速，R為風輪半徑，ω為風機角速度，Pm為機械功率。

當風速在額定風速以下時，實行定槳距調節，此時CP僅與λ有關，在特定的葉尖速比λopt下風機捕獲最大功率，此時公式（3）中k為常數，故風機最佳捕獲功率和轉速呈三次方的關系。圖1中Popt為風機的最佳功率捕獲（最佳功率輸出）曲線。ν1,v2,v3,v4是一組在不同風速下風力機的輸出功率特性曲線。

圖1 功率曲線

實現最大功率追蹤的目標是在風速變化時及時調整風機轉速，改變葉尖速比，保證系統運行于最佳功率曲線上。

2 勵磁控制系統

勵磁控制框圖如圖2所示：

圖2 勵磁控制

當轉速在額定值以下時，調節磁鏈和勵磁電壓來保持磁場的恒定，即采取定磁場控制；當轉速在額定值以上時，為弱磁控制。

采用電勵磁同步電機，電磁轉矩公式如式（5）所示[3]。

ω代表同步機械角速度，U代表電網電壓，E0代表空載電動勢（勵磁電動勢），θ代表功率角，Xd代表直軸電抗，Xq代表交軸電抗。

電勵磁電機的直軸電感一般大于交軸電感，而本文電機側采取isd=0控制，由公式（5）可知，控制交軸電流isq可直接控制電磁轉矩。

3 機側控制策略

通過對直流側電壓的判斷，采用PI控制環節，調節卸荷電路中功率器件的導通比，控制卸荷電路的通斷來穩定直流電壓，從而實現低電壓穿越。其控制框圖如圖3所示。

圖3 直流側控制

本文采用的控制策略是將電網電壓和電流通過前饋控制加入到有功電流內環控制中，從而限制發電機的電磁轉矩，進而達到快速限制發電機的有功輸出的目的。同步發電機的電磁轉矩表達式為：

其中np為極對數，isq為機側變流器的有功電流分量，ψ為磁體的磁鏈。可通過調節q軸有功電流isq控制發電機的電磁轉矩[4]。有功電流的參考值如式（7）。

電網電壓正常運行時并網電壓為uN，有功電流為igdN。當電網電壓跌落期間并網電壓為ugrid，有功電流為igd。通過限制機側有功電流可減少發電機的有功輸出，從而減少直流過電壓。控制框圖如圖4所示。

圖4 機側變流器控制策略框圖

4 網側無功優先輸出控制策略

傳統控制策略下，直流環的輸出經過PI調節器得到網側變流器的有功電流參考值，為保持網側變流器運行于有功優先輸出模式，把網側變流器的最大值imax設定為輸出限幅值。電網電壓外環輸出作為無功功率的參考值。

5 仿真驗證及分析

仿真參數如下：

5臺額定容量為2MW的風機，網側電壓為575V，直流電容為0.09F，直流電壓參考值為1100V，定子電阻是0.0066?，極對數為1，摩擦系數為0.01。boost升壓電路的電感為 0.0021H。逆變器的開關頻率為3000Hz。逆變器的最大限流值為 1.1p.u.。額定風速15m/s，跌落幅度為50%，持續時間為0.5s。當直流側加卸荷電路，網側變壓器運行于無功優先模式控制策略的仿真圖如圖6所示。機側變流器運行于限流模式，網側運行于無功優先輸出模式的仿真圖如圖 7所示。

圖5 網側逆變器的外環控制結構圖

圖6 直流側加卸荷電路的仿真圖

圖7 機側變流器運行于限流模式的仿真圖

由圖6（a）可知，在0.5s時電網電壓跌落50%，電網電壓提升到 0.8p.u.左右。表明網側變流器運行于無功優先模式。圖6（b）表明在額定風速下，正常運行時，輸出功率為1p.u.，電網電壓跌落50%時，網側有功輸出為0.75p.u.左右。由圖6（c）可知傳統控制策略下，無功功率輸出為零，與給定值保持一致。網側無功優先模式下輸出的無功為6MVar左右。由圖6（d）可知控制策略改進后直流電壓值由 3500V降低到1100V左右。表明直流側增加卸荷電路后，迅速消耗直流側多余的能量，從而大大降低直流過電壓。由圖6（e）可知直流側增加卸荷電阻并不影響風機進行最大功率追蹤。機側變流器控制發電機的輸出功率等于風機輸入的機械功率，轉速不變。

綜上可知，直流側增加卸荷電路可降低直流過電壓，網側變流器運行于無功優先輸出，提升了故障期間的電網電壓。此控制策略需增加額外硬件，同時會帶來散熱等問題。

由圖7可知，限制發電機側有功電流輸出，同時使網側變壓器運行于無功優先模式，可達到同樣良好低電壓穿越的效果，且無需增加額外硬件。由圖7（e）可知電網電壓跌落期間，發電機的輸入機械功率不變，輸出的電磁功率減少，轉速有所上升，捕獲的風功率降低。由于風機的轉動慣量很大，故波動很小，不影響風機的正常運行。

6 結論

本文提出了一種限制機側變流器有功電流，同時網側變壓器運行于無功優先輸出的控制策略，有效抑制了直流過電壓，提升了電網電壓。然而轉速有輕微波動，輸出有功功率的波形有顯著波動，如何降低風機轉速和有功功率輸出的波動有待進一步研究。

[1]趙仁德, 王永軍, 張加勝. 直驅式永磁同步風力發電系統最大功率追蹤控制[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(27): 106-111.

[2]姚駿, 廖勇, 瞿興鴻, 劉刃. 直驅永磁同步風力發電機的最佳風能跟蹤控制[J]. 電網技術, 2008,32(10): 11-15, 27.

[3]李發海, 朱東起. 電機學[M]. 北京: 科學出版社,2005.

[4]楊曉萍, 段先峰, 田錄林. 直驅永磁同步風電系統低電壓穿越的研究[J]. 西北農林科技大學學報,2009, 37(8): 228-234.

[5]李建林, 許洪華, 等. 風力發電系統低電壓運行技術[M]. 北京:機械工業出版社, 2009.