提高PMSG低電壓穿越能力的控制策略研究

摘 要：為提高對稱故障下永磁同步風電系統的低電壓穿越能力，在機側變流器控制中，提出將網側輸出功率替換成發電機輸出有功功率，作為機側變流器的功率外環給定值；提出將反映PMSG輸出瞬時有功功率的變化量作為前饋補償量，與直流側電壓差值經PI調節器的輸出值疊加，作為網側變換器電流內環d軸電流給定值。該改進的控制方法能快速跟蹤機側功率的變化，實現電網側變換器輸出有功功率與發電機輸出有功基本平衡，抑制直流側電壓的波動。

關鍵詞：低電壓穿越；永磁同步發電機；直流側電壓

引言

風能是一種清潔的可再生能源，其蘊藏量豐富，分布面廣，開發利用潛力巨大[1]。直驅式永磁同步風電系統通過全功率變流器與電網相連，實現隔離[2]，電機側變流器控制PMSG的功率和轉速，電網側變流器控制網側功率因素和直流側電壓，使永磁同步風電系統相對其他系統而言，更容易實現低風電系統低電壓穿越（LVRT）。風電系統低電壓穿越是指當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行。電網電壓發生跌落時[3-5]，為保持輸出功率平衡，將增大網側變流器的輸出電流，一旦達到器件限流值，功率輸出將會受限，導致發電機功率未能及時送出，使得剩余能量對母線電容進行充電，進而引起母線電壓驟然上升，引起直流側的2倍頻波動[6]，威脅器件安全，影響電能質量。

1 PMSG風電機組的控制策略

圖1為永磁同步風力發電系統的拓撲結構圖，系統采用背靠背全功率變流器，將發電系統和電網進行隔離。機側變流器實現風能最大捕獲控制，網側變流器實現直流側電壓穩定及單位功率因素并網控制。

2 故障時變流器的控制策略

對機側變流器控制的目的主要是實現最大風能捕獲[7]。但風速具有隨機性，當風速不在額定風速時，需控制變流器來調節電機轉速，達到當前風速對應的最佳轉速，保證葉尖速比，實現最大風能追蹤。

圖2為機側變流器控制框圖，采用功率外環和電流內環雙閉環控制，直接將永磁同步發電機的輸出功率Pm替換成網側輸出功率Pg，作為功率反饋值。電網電壓正常時，由最大風能捕獲控制算法，得到實時最大功率Popt，作為機側功率外環給定值Pmref；一旦電網發生電壓跌落，為平衡直流母線電壓，根據網側變流器所允許輸出電壓幅值和有功電流的最大值igmax，計算網側變流器輸出功率的最大值Pgmax，通過比較Popt和Pgmax的值，取較小者作為功率外環的給定值Pmref。功率外環給定與變流器網側輸出功率差經PI調節器調節，得到有功電流給定值。經過電流內環控制后，得到dq軸控制電壓，依據電機轉子電角度進行坐標變換，經過PWM發生單元轉換為驅動脈沖，控制電機側變流器功率器件的導通與判斷，實現對PMSG的控制，從而達到根據電網電壓狀態控制PMSG輸出功率的目的。

3 系統仿真驗證

基于matlab/simulink搭建了PMSG系統仿真模型，對改進的控制策略實現永磁直驅風電系統低電壓穿越情況進行仿真。仿真參數如下：永磁同步發電機額定功率2MW，極對數為30，直軸、交軸電感為1.5mH；輸出線電壓有效值為690V，直流側額定電壓值為1200V，直流側電容容量為10mF，開關頻率10KHZ。

圖3為采用改進控制策略和采用文獻[8]所提及的crowbar保護電路兩種方法的仿真對比圖，電網故障時間為0.625s，跌落深度80%，仿真時間3s。淺色和深色分別表示crowbar保護電路仿真圖形和改進控制策略仿真圖形。

分析圖a、圖b可知，電壓跌落期間，采用兩種方案其網側電流波形和網側無功功率波形基本相似，只是采用crowbar保護電路方案，其無功波動幅度較大，有明顯的向上波動；改進的控制策略，使直流側電壓只在跌落發生和消失兩端各自出現小的波動，之后迅速穩定在額定值，相比于采用crowbar保護電路，直流側電壓波動小，更平穩。整個仿真過程，并網有功功率的輸出除了在故障發生和消失時出現峰值，其余時刻基本保持恒定輸出。

4 結束語

文章研究對稱故障下永磁同步風電系統的低電壓穿越能力，分析了全功率變流器的作用，提出一種改進的控制策略：將網側輸出功率替換成發電機輸出有功功率，作為機側變流器的功率外環給定值；將反映PMSG輸出瞬時有功功率的變化量作為前饋補償量，與直流側電壓差值經PI調節并基于MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，對比分析該控制策略與采用crowbar保護電路方案的效果，仿真結果表明：改進的控制方法能快速跟蹤機側功率的變化，實現電網側變換器輸出有功功率與發電機輸出有功基本平衡，抑制直流側電壓波動。

參考文獻

[1]羅承先.世界風力發電現狀與前景預測[J].中外能源，2012，17（3）：24-31.

[2]湯天浩，陳新紅，彭東愷，等.直驅式永磁同步風力發電機穩態模型與最大功率跟蹤控制[J].電源學報，2011（3）：13-20.

[3]李生虎，許志峰.直驅永磁同步機組卸荷電阻最優取值及分組投切策略[J].電網技術，2013（7）：21-27.

[4]SHARMA R，WU Q，CHA S T，等.柔性直流輸電并網風電廠的低電壓穿越能力改進（英文）[J].電力系統自動化，2015（3）：14-22.

[5]劉京波，朱斯，吳宇輝，等.雙饋風電機組高電壓穿越控制策略研究[J].華北電力技術，2015（2）：29-33.

[6]肖磊，黃守道，黃科元，等.不對稱電網故障下直驅永磁風力發電系統直流母線電壓穩定控制[J].電工技術學報，2010（7）：123-129.

[7]劉忠義，劉崇茹，李庚銀.提高直驅永磁風機低電壓穿越能力的功率協調控制方法[J].電力系統自動化，2015（3）：23-29.

[8]孟慶天，閆志海，李莉美.應用卸荷支路提高風電系統低電壓穿越能力研究[J].電氣技術，2013（7）：30-33.