基于VSC-HVDC串并聯拓撲結構風電場協調控制策略研究

黃晟王輝廖武黃守道

（國家電能變換與控制工程技術研究中心長沙410082）

基于VSC-HVDC串并聯拓撲結構風電場協調控制策略研究

黃晟王輝廖武黃守道

（國家電能變換與控制工程技術研究中心長沙410082）

提出一種在柔性直流輸電中，針對串并聯拓撲結構的直驅永磁同步發電機（DD-PMSG）風電場的機組協調控制方案，采取適用于串并聯接入方式的可變步長爬山算法，使系統在運行的安全范圍內找到最佳功率點。變流器采用速度外環、電流內環的雙閉環控制策略，并提出基于電流環前饋的控制方案，以提高速度跟蹤時的響應速度，并減少了穩態誤差。控制方案通過MATLAB/Simulink仿真，實驗表明該方案整體運行效果穩定，可很好地實現對多機組的協調控制及最大風能捕獲。

柔性直流輸電串并聯拓撲爬山算法電流環前饋

3　引言

相較于傳統的基于晶閘管的高壓直流輸電系統，柔性直流輸電系統具有可獨立調節有功功率和無功功率，能夠實現四象限運行［1，2］，可以向無源網絡供電，能夠起到靜止無功補償器的作用，穩定交流母線電壓，開關調節快，產生諧波含量小等優勢［3］，且因其本身控制簡單、體積小等特點，能夠很好地適應海上風電場中的交流微網系統［4，5］。

海上風力發電場電力匯集方式有交流匯集方式和直流匯集方式［6-8］兩種。目前已投入運行的海上風力發電場容量相對較小、電氣連接方式也較為簡單，因此一般采取交流集電方式，但隨著海上風力發電場容量增大，每臺風力發電機均需要一套背靠背的變流器，且需要換流站將匯集的電能整流，交流匯集方式高成本的特點就展現出來。直流匯集方式是每臺風力發電機經整流后所有電能在直流母線處匯集，經高壓直流傳輸方式傳輸至岸上換流站匯流并網，這樣減少了變流器與傳輸線路的成本［9］。本文著重對直流匯集方式的直驅永磁同步發電機（Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generator，DD-PMSG）風電場拓撲結構以及機組的協調控制策略進行研究。

3　風電場的拓撲結構

風電場的拓撲結構有串聯拓撲、并聯拓撲、串并聯結合拓撲［10］等多種。串聯拓撲是將所有永磁風力發電機經整流器后串聯，將直流母線電壓抬高后再進行直流傳輸，這種方式如果設計合理，則無需再加入DC-DC模塊進行升壓處理，減少了設備的投入量，可直接達到直流輸電系統所需要的電壓等級，但串聯拓撲局限于其容量以及容錯性較低，單臺機組發生故障后可能導致整套系統故障，對控制方案的穩定性及可靠性要求很高。并聯拓撲結構則相對簡單，且每臺機組獨立運行，一臺風力發電機發生故障后不會影響到其他機組，控制方式較為簡單，但每臺機組需升壓處理后才能達到直流輸電所需要的電壓等級，增加了系統的建設成本［11］。結合上述兩種方式，串并聯拓撲方式有效解決了這些問題。串并聯接入拓撲如圖1所示。

圖1　串并聯接入拓撲Fig.1 The structure of series-parallel generators

直驅風力發電機與電壓型整流器連接，先將多臺DD-PMSG整流器于直流側串聯，將直流電壓升高至直流輸電系統要求的電壓等級，再將已串聯機組于直流側并聯，增加整個系統的容量。并聯后經直流線路進行遠距離輸電，經模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）模塊組成的多電平換流站逆變升壓后并網。

串并聯拓撲雖有諸多優點，但也增加了整個系統控制方案的控制難度。文獻［12］中的控制方案分為電壓正常模式和電壓限幅模式，正常模式下實現風力發電機的MPPT，限幅模式下減小風能的吸收或加大對轉子旋轉動能的獲取，保證了風力發電機能夠成功應對各種工況。文獻［13］提出了適用于串聯風力發電機的變速控制策略，可通過風力發電機轉子儲存和釋放能量以減小棄風。但文獻［12，13］均未對如何實現最大風能捕獲進行詳細分析。文獻［14］提出風力發電機機群輸出電壓超過電壓上限時就會停止上升，機群內所有風力發電機都進入恒電壓控制模式，無法實現最大風能捕獲。如何在風速變化的情況下尋找最佳功率點，當每臺風力發電機輸出功率不同時，如何維持整個系統的穩定以及如何對整個串并聯海上風電場進行協調控制，這些都是在串并聯拓撲的控制方案中所需要考慮的問題。

3　機側變流器雙閉環控制策略

風力機的機械功率表達式和機械轉矩表達式分別為［15］

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；R為風力機葉片半徑，m；Vw為來流風速，m/s；CP為風能利用系數；β為槳葉的槳距角；λ為葉尖速比；ωm為風力機機械角速度，rad/s。

因為直驅永磁風力發電機無齒輪箱，則風力發電機轉速ωg與風力機轉速ωm相等，即ωg=ωm，直驅永磁風力發電系統的傳動模型表達式為［16］

式中：Te為發電機電磁轉矩，N·m；Bm為轉動粘滯系數；Jeq為等效轉動慣量，kg·m2。

為了實現Pm最大化，CP是一個重要因素，槳葉的槳距角由變槳伺服控制，本文不做深入分析，葉尖速比為

由式（4）可知，當Vw一定時，控制ωm就可控制λ的大小，結合式（2），只要通過整流器改變發電機轉速ωg的大小，便可改變Pm的大小。由式（3）可知，發電機轉速由電磁轉矩與機械轉矩共同作用產生，風力機決定機械轉矩，因此，通過控制電磁轉矩可達到控制電機轉速的目的。PMSG電磁轉矩表達式為［17］

式中：np為風力發電機極對數；ψd、ψq分別為定子磁鏈d-q軸分量，Wb；id、iq分別為定子電流d-q軸分量，A；Ld、Lq分別為風力發電機直軸電抗和交軸電抗，H。當不考慮風力發電機凸極效應時，Ld=Lq，則電磁轉矩公式簡化為由此可知，通過控制iq便可實現對轉速的控制。

本文設計的控制器采取電流內環、速度外環的控制方式。為了捕獲最大風能，采取適用于串并聯接入方式的可變步長爬山算法，以求得最佳功率點。爬山算法追蹤最大風能的思路是：不間斷地對風力發電機的轉速施以較小擾動，計算當前風力發電機的功率P（n），并與上個控制周期的風力發電機功率P（n-1）比較，如果功率下降，那么將轉速指令的擾動值dωT反號，否則，保持其符號不變。最后將當前的轉速擾動值和上個周期的轉速指令相加就得到新的轉速指令值。風力發電機功率可表示為

可知風力發電機電磁轉矩大小與角速度呈反比關系，即

式中K為擾動步長調節系數。到達最佳功率點時，風力發電機輸出功率對風力發電機角速度的導數應為零［19］，即

在特殊風況下，串聯機組中可能有一臺機組的風速很低，導致單臺風力發電機的直流側的電壓跌落，而其他機組的直流電壓則會相應升高，如果單臺整流器直流側電壓超過直流側電容的耐壓值，會使整流器處于危險工況下，增加了系統的故障率，因此，在運用爬山算法時需對此問題進行處理。

本文以4臺風力發電機串聯，再將3個串聯風力發電機并聯在直流傳輸線上的拓撲為例進行分析，設每臺風力發電機的參數相同，在一串聯風力發電機組中，電流相同，若不計風力發電系統內部損耗，由式（2）和式（8）可知

一臺直驅風力發電系統串聯風力發電機組的總功率可表示為

式中：Udc為直流傳輸線上電壓；Idc為串聯支路電流；Pe1、Pe2、Pe3、Pe4分別為串聯風力發電機組4臺發電機功率。發電機功率也可表示為

式中Un為單臺直驅永磁發電機直流側電壓，結合式（12）和式（13），得

因為風力發電機參數相同，由式（12）可知，每臺風力發電機整流器直流母線處電壓根據風力發電機輸出電磁功率的大小按比例進行分配。機械轉矩Tm根據式（1）和式（2）可知

PMSG功率Pen與轉速的關系表達式為

聯立式（16）和式（14）可得到直流側電壓與發電機轉速之間的直接關系表達式。

通過考慮直流母線處電容的耐壓值來設定一個電壓最高值Umax和最低值Umin，使風力發電機轉速ωn在一個安全范圍內進行爬山算法，得到最大功率點。因此每個串聯組中各風力發電機控制器之間要進行通信，當最大功率追蹤處于上升階段時，在直流母線電壓過高時要減去一個速度補償量ω*d，直流母線電壓過低時要加上一個速度補償量ω*d，當最大功率追蹤處于下降階段時則相反處理，以保證單臺機組整流器直流側分配的電壓不能太低也不能太高，達到系統協調控制的目的。適用于串并聯結構的可變步長爬山算法流程圖如圖2所示。

采樣4臺風力發電機的轉速依次為ω1、ω2、ω3、ω4，計算此臺機組整流器直流側電壓是否在電壓的設定范圍之內，如果不是則加或減一個速度補償量，直到速度變化至系統的安全范圍內，再通過MPPT尋找最佳功率點，得到的結果匯總進入下一個循環，以此達到最大風能捕獲的目的。在時間間隔（n）和（n+1）之間，采樣發電機的轉矩電流和旋轉速度，功率斜率的計算公式為

步長表達式為

式中：KMPPT為步長調節系數。ω*d由實驗得來，取值不應太大。

圖2　爬山算法控制流程圖Fig.2 The flow chart of MPPT

直驅永磁風力發電機側變流器單臺控制框圖如圖3所示，采取速度外環、電流內環的雙閉環控制方式。

圖3　機側控制框圖Fig.3 The control strategy of generator side

3　引入電流環前饋控制策略

直驅永磁風力發電機在風速變化較大的情況下，存在一定的穩態誤差以及轉速響應速度過慢無法快速實現最大捕獲風能的問題，在電流閉環上增加電流前饋控制環節，利用前饋控制方法，無需被控量出現偏差，直接補償一個預先的估計值，達到最大化消除穩態誤差的效果。以q軸電流為例，電流環控制框圖如圖4所示。

圖4　電流環控制框圖Fig.4 The control strategy of current loop

按照調節器的工程設計方法，選擇電流調節器的零點對消被控對象的大時間常數極點，即

得電流內環傳遞函數閉環表達式為

在電流內環的基礎上再引入速度外環，因為速度環的截止頻率一般很低，所以相對于速度環，電流內環的傳遞函數H（s）可看做一個慣性環節，作降階處理

則速度外環的的控制框圖如圖5所示。

圖5中，kt為轉矩常數，Tc為轉矩負載，J為轉動慣量，kωp、kωi分別為速度外環PI調節器參數。

圖5　速度環控制框圖Fig.5 The control strategy of speed loop

速度閉環是一個內部包括電流內環的高階系統，只有kωp、kωi在某個值時，才能等效為一階慣性環節，本文在電流環增加前饋控制，電流環前饋對直驅風電系統的轉速信號進行預測，預測值增加到電流環的輸入，有效解決系統對速度信號調節的滯后性，降低誤差值，增加系統的響應速度。

只要按式（26）計算前饋函數F（s），便可使系統速度環閉環傳遞函數H（s）=1，以實現直驅風力發電機高準確度無誤差地快速響應經MPPT計算得來的最佳功率點的角速度，以達到提高DD-PMSG最大風能捕獲的目的。

3　仿真結果分析

在MATLAB/Simulink中，根據圖3的機側控制框圖，將12臺直驅永磁同步發電機搭建成4串3并結構的仿真模型。已知發電機相關參數為：風力發電機定子電阻Rs=0.875Ω，定子電感Ls=8.5 mH，額定反電動勢380 V，額定轉速1 500 r/min，極對數為2，取開關頻率為10 kHz，仿真采用純離散系統，對真實數字控制的環境進行模擬，采樣周期為100μs。網側由MMC多電平換流站控制總直流母線，總直流母線電壓為2 400 V。以一串聯風力發電機組為例，設4臺風力發電機分別為A、B、C、D，4臺風力發電機在前3 s都在7 m/s的風速下運行，在3 s時，A機組的風速突變為8m/s，B機組的風速突變為9m/s，C機組的風速突變為10 m/s，D機組的風速突變為12m/s，這4臺機組的直流側電壓、轉速、q軸電流如圖6～圖8所示。

圖6　4臺機組直流側電壓波形Fig.6 The voltage of4 DC bus

由圖6～圖9可看出，4臺風力發電機在相同風速的情況下，直流側電壓相同，均穩定在600 V，發電機轉速也穩定在65 rad/s，但當3 s后風速突變，發電機經MPPT算法計算出最佳轉速，并上升至相應的轉速，1.5 s后，轉速基本穩定。此時，每臺發電機的轉速已不同，由于每臺機組穩定后的風速不同，發電功率也就不同，直流側電壓隨功率的大小比例進行重新分配，但4臺發電機直流側電壓之和依然為2 400 V。網側換流站采用MMC模塊化多電平方式控制直流母線，由圖9可看出，當機側風速發生變化時，網側直流母線電壓可很好的維持穩定，網側d軸電流沿斜坡上升，當風速穩定后，達到新的穩定值。

圖7　4臺機組轉速波形Fig.7 The speed of4 generators

圖8　4臺機組q軸電流波形Fig.8 The iqof4 generators

圖9　網側電壓電流波形Fig.9 The DC voltage and current of grid side

圖10為在特殊風況下的仿真波形，4臺風力發電機在前1 s內在7 m/s的風速下運行，直流側電壓均穩定在600 V，在1 s后，A、B、C三臺機組的風速突變到1 m/s，D機組的風速突變到13 m/s，設電壓最高值Umax=1 100 V和最低值Umin=200 V。由圖可看出，A、B、C三臺機組在風速突變后，電壓均下降至約430 V，D機組直流側電壓上升，但維持在1 100 V以下，串并聯風力發電系統仍運行在安全范圍內。

圖10　特殊風況下4臺機組直流側電壓電流波形Fig.10 The voltage of4 DC bus in special state

當機側風速變化較頻繁時，常規的轉速跟蹤無法快速地響應速度給定值，本文對所提出的電流環前饋控制方法進行了仿真，仿真波形如圖11所示。

圖11　速度跟蹤比較波形Fig.11 Speed tracking comparison

當速度給定為30～150 rad/s的正弦波，無前饋控制時，速度響應無法完全跟蹤給定值，且存在一定誤差；有前饋控制時，系統可快速無誤差的跟蹤給定值，從而提高直驅永磁發電機組的風能捕獲效率。

3　結論

本文提出了一種在柔性直流輸電中，針對由直驅永磁風力發電機組組成的串并聯拓撲風電場機組協調控制方案，采取適用于串并聯拓撲的可變步長爬山算法，使系統在運行安全范圍內找到最佳功率點，達到最佳風能捕獲的目的，變流器采用速度外環、電流內環的雙閉環控制策略，并提出了基于電流環前饋的控制方案，無需被控量出現偏差，直接補償一個預先的估計值，以提高速度跟蹤時的響應速度，并減少穩態誤差。仿真表明該方案可實現對風能的高效率捕獲，系統整體運行效果穩定，并能很好地實現對多機組的協調控制，在工程上有一定的應用參考價值。

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The Coordinated Control Strategy Based on VSC-HVDC Series-parallel Topology in W ind Farm

Huang Sheng Wang Hui Liao Wu Huang Shoudao
（National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control Changsha 410082 China）

In this paper，a coordinated control strategy of series-parallel direct-driven permanentmagnetic synchronous generators（DD-PMSGs）in the voltage source converter high voltage direct current（VSC-HVDC）system is proposed.The improved variable step hill-climbing algorithm is adopted by the strategy to achieve the maximum wind power capture in a safe range.In the generator side，the double closed-loop control strategy for the converter including the current inner loop and the speed outer loop respectively is taken.In order to improve the speed of the response and reduce the stability state error，the feed forward control of the current inner loop is used.The results in the MATLAB/Simulink simulation prove that the proposed coordinated control strategy of series-parallel DD-PMSGs can achieve good performance，and improve wind energy utilization.

Flexible high voltage direct current，series-parallel topology，MPPT，current loop feed-forward

TM614

黃晟男，1988年生，博士研究生，研究方向為柔性直流輸電系統及其控制。（通信作者）

王輝男，1960年生，教授，博士生導師，研究方向為現代電氣自動化技術與裝備。

國家國際科技合作專項（2011DFA62240）和國家自然科學基金（51377050）資助項目。

2015-06-04改稿日期2015-10-10