基于模式切換的永磁同步風力發電機組低電壓穿越控制策略

鐘誠，魏來，嚴干貴

(東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市 132012)

基于模式切換的永磁同步風力發電機組低電壓穿越控制策略

鐘誠，魏來，嚴干貴

(東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市 132012)

隨著風電機組安裝容量的不斷上升，風電系統在電網故障情況下的穩定運行尤為重要，電網導則要求風電機組在電網電壓瞬間跌落一定范圍內不脫網運行，具備低電壓穿越能力(low-voltage ride-through，LVRT)。對于永磁同步風力發電機(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機組，快速控制直流電容電壓是實現低電壓穿越的關鍵。文章采用一種基于模式切換的PMSG機組低電壓穿越控制策略，該策略在電網電壓正常和故障時進行控制模式切換，選擇網側變流器或機側變流器來控制直流電容電壓。另外，為加快直流母線控制速度，提出了一種改進前饋方法，加快了控制速度，降低了直流母線電壓的峰值。仿真結果驗證了所提控制策略的有效性。

永磁同步風力發電機(PMSG)；低電壓穿越(LVRT)；模式切換控制；改進前饋

0 引 言

對于永磁同步風力發電機(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機組而言，實現低電壓穿越(low-voltage ride-through，LVRT)的關鍵是如何快速平衡電網電壓跌落期間失配能量，防止直流電容電壓越限[1-3]。目前，針對該問題的方法大致可分2類：(1)增加輔助硬件，如增加crowbar電路[4]、直流側儲能[5]或者網側無功補償[6]等外加設備，該類方法的缺點是增加了投資成本；(2)通過修改風電機組控制策略，利用風輪機自身慣性來存儲失配能量，這類方法無須增加額外的硬件，得到了廣泛研究。

文獻[7-8]依據并網點電壓跌落深度減小機側有功功率，來防止直流電容電壓越限，其缺點是當電網電壓深度跌落時，網側變流器和機側變流器可能同時工作在電流控制模式，失去對直流電容電壓控制。文獻[9-10]提出采用網側變流器控制機側轉速，機側變流器控制直流電容電壓的控制策略。文獻[11]提出一種模式切換控制策略，當電網電壓正常時，網側變流器控制直流電容電壓，機側變流器控制機側轉速；而電網電壓跌落時，切換為網側變流器控制并網功率，機側變流器控制直流母線電壓模式。

另一方面，加快直流電壓控制速度也有助于提高PMSG機組LVRT能力，文獻[12-13]將機側有功功率作為網側變流器電流控制內環的前饋，但受內環控制器帶寬限制，無法實現單位前饋[2]。故文獻[3]提出在機側功率前饋通道中增加前饋補償函數，改善補償效果，但是文獻[3]同時指出電流內環控制器為比例積分(proportional integral，PI)時，補償函數將較為復雜，而且難以實現。文獻[14]采用基于機側功率預測的前饋控制，但前饋量計算較復雜。

本文在基于文獻[11]的模式切換控制結構上，提出一種基于改進的前饋控制策略，繞開電流內環控制器，避免內環控制器帶寬的影響。仿真對比驗證本文控制策略的有效性。

1 系統模型

PMSG系統結構如圖1所示。PMSG系統包含風輪機、永磁同步發電機、機側變流器、直流鏈電容、網側變流器、并網電感、理想電網。

圖1 PMSG系統框圖

圖1中：usa、usb、usc、isa、isb、isc分別為PMSG定子側的三相電壓和電流；idc,s和idc,g分別為機側直流電流和網側直流電流；ic和udc分別為直流電容電流和電壓；uga、ugb、ugc分別為網側變流器三相輸出電壓；ega、egb、egc、iga、igb、igc分別為電網側三相電壓和電流。

在機側轉子磁鏈定向旋轉dq坐標系下，忽略定子電阻，永磁同步發電機的定子電流數學方程[2]為：

(1)

(2)

式中：Ls為等效同步電抗；ωs為轉子角頻率；usd、usq、isd、isq分別為機側定子電壓和定子電流的d軸和q軸分量；esq為發電機內電勢。

電網電壓矢量定向旋轉坐標系下，網側電流的數學方程為：

(3)

(4)

式中：Lg為網側電感；ωg為電網角頻率；igd、igq分別為電網側電流的d軸和q軸分量；egd、egq分別為電網側電壓的d軸和q軸分量；ugd、ugq分別為電網側輸出電壓的d軸和q軸分量。

當同步旋轉坐標系與電網a相電壓對齊時，egq=0，則并網有功瞬時功率Pg的計算公式為

(5)

機側有功功率Ps的計算公式為

(6)

依據基爾霍夫節點電流定律，則ic=idc,s-idc,g。另外，忽略變流器損耗，則idc,s=Ps/udc，idc,g=Pg/udc。因此，

(7)

(8)

(9)

直流電容電流ic的大小取決于機側和網側有功功率差值。快速控制機側和網側有功功率的平衡，可以減小直流母線電壓的波動。

2 改進前饋控制方法

為了避免控制內環電流控制器帶寬對前饋補償的影響，本文基本思路是將前饋點從電流內環輸入節點(a)點[3,12-13]后移到輸出節點(b)點，如圖2所示。

圖2 改進前饋控制框圖

將機側直流側電流idc,s依然作為擾動量，假定前饋補償函數為F(s)，則從節點(d)到節點(c)的傳遞函數為

(10)

為實現單位反饋，即D(s)=1，則易知F(s)為

(11)

(12)

(13)

式(13)中包含微分項disq/dt，如果采用數值微分方法實現，較為復雜[13]。注意到式(2)中包含disq/dt項，將式(2)代入式(13)，得

(14)

3 PMSG低電壓穿越控制策略

本文提出的PMSG低電壓穿越控制策略如圖3所示。

圖3中，風機側采用基于磁場定向下的dq解耦控制，而電網側采用基于電壓矢量定向下的dq解耦控制策略。控制策略分成2種模式：(1)電網電壓的正常狀態；(2)電網電壓跌落狀態。

依據第2節所述，為了加快直流電容電壓控制速度，正常電網電壓模式下，將式(14)作為前饋疊加在網側變流器內環d軸電流控制器的輸出端。

相似的，在故障電網電壓模式下，將式(15)疊加在機側變流器內環q軸電流控制器的輸出端。

(15)

當電網電壓跌落時，直流電容電壓始終存在閉環控制，通過減小機側有功電流isq，來避免直流電容電壓越限。

圖3 PMSG低電壓穿越控制策略框圖

需要指出，本文提出的模式切換只是外環之間的切換，而內環控制始終維持不變，這意味著當控制模式切換時，只是內環參考值發生變化，即等價于內環參考值出現突變。而并網逆變器電流內環控制器的穩定性已有相關文獻進行分析[15]。

4 仿真研究

為了驗證本文方法的有效性，搭建了仿真模型，模型參數如表1所示。

考慮風速突變和電網深度跌落2種情況進行分析，同時為了對比，同時采用本文的改進前饋方法和傳統有功功率前饋方法進行仿真。

4.1 風速變化仿真分析

表1 PMSG系統參數

Table 1 Parameters of PMSG system

對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，采用改進前饋控制后，網側有功電流能夠更加快速地跟蹤機側有功電流，傳統前饋方法的直流母線電壓最大峰值為 1 300 V，而改進前饋方法最大峰值僅為 1 218 V，直流母線電壓峰值明顯減少。

圖4 風速擾動時PMSG系統仿真波形

但需注意到，由于式(13)中存在微分項，相比于圖4(a)，圖4(b)中的直流電壓和網側電流都存在更為明顯的脈動分量。

4.2 電網深度電壓跌落

設計并網點電壓在1 s時，跌落為0.2 pu，并持續600 ms。

依據我國2011年頒布的《風電場接入電網技術規定》[16]，電壓跌落期間，并網點電壓每跌落1%須向電網提供2%額定電流數值的無功電流[16]，如式(16)所示。

(16)

式中：IN為變流器額定電流；UT為并網點額定電壓。

當電網電壓跌落為0.2 pu時，網側變流器需要向電網提供1 pu的無功電流。而通常變流器短時電流上限為1.1 pu[17]，易知，此情景下網側變流器有功電流上限為0.458 pu，仿真波形如圖5所示。

由圖5可知，在1 s電壓跌落時，受電壓跌落的影響，網側逆變器進行模型切換，網側輸出給定有功和無功電流，機側變流器控制直流母線電壓。圖5(a)中，受PI控制器帶寬的影響，直流母線電壓udc峰值為 1 340 V。1.6 s時電壓恢復，udc峰值達到1 350 V，已經威脅機組的安全運行。圖5(b)中，電網電壓跌落時刻的udc峰值為1 230 V，而恢復期間的最大電壓峰值為1 250 V。得益于改進前饋方法，系統能夠更快地控制直流電容電壓，減小暫態峰值。

在電壓跌落期間，由于減小了機側的電磁轉矩，轉子轉速持續上升。當電網恢復后，系統重新恢復轉速控制，受直流母線電壓波動影響，圖5(a)轉速需要經過0.6 s才重新跟蹤參考值，而圖5(b)只需0.45 s。

另外注意到，1 s電壓跌落瞬間，網側電流存在約1.1 pu的瞬時尖峰。這是由于受控制器單位延遲的影響，網側逆變器輸出電壓為前一個控制周期的值，而并網點電壓突變到0.2 pu，并網電感兩端出現較大的電壓差。

圖5 電壓跌落時PMSG系統仿真波形

5 結 論

(1)采用模式切換實現PMSG機組在電網電壓深度跌落下的直流電容閉環電壓控制，在此基礎上提出改進的前饋補償方法，加快直流電容電壓控制速度。

(2)本文方法在風速突變和電壓深度跌落時，減小直流電壓的暫態峰值，提高了PMSG風電機組低電壓穿越能力。

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(編輯 景賀峰)

Low Voltage Ride-through Control Strategy for PMSG Based on Control Mode Switch

ZHONG Cheng, WEI Lai,YAN Gangui

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

With the increase of installed capacity of wind farm, the operation stability of wind power system during grid disturbances becomes important. Grid codes require that wind power system stays connected to the grid during voltage dips for a certain period, with the ability of low-voltage ride-through (LVRT). For permanent magnet synchronous generator (PMSG), the key to improve the ability of LVRT is that fast control DC-Link voltage when grid-voltage dips. This paper proposes a LVRT control strategy for PMSG unit based on control mode switch. The strategy changes the control mode between in normal and fault of grid-voltage, and adopts the grid-side converter or generator-side converter to control the DC-Link voltage respectively. In addition, this paper proposes an improved feed-forward method to speed up the DC bus control, which can accelerate the speed control and reduce the peak value of the DC bus voltage. The simulation results validate the effectiveness of the proposed strategy.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); low-voltage ride-through (LVRT); mode switch control; improved feed-forward

國家自然科學基金項目(51277024)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0068-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.009

2016-08-26

鐘誠(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向為新能源柔性并網技術、電力電子化電網穩定分析與控制；

魏來(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網安全運行與穩定控制；

嚴干貴(1971)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為大規模新能源并網技術、風電柔性消納技術。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51277024)