電網電壓不平衡情況下雙饋風力發電變流器控制*

雷為民， 苗友忠， 羅 瑋， 徐燕生， 艾 冰(. 國家電網 冀北電力有限公司， 北京 00053； . 國家電網 廊坊電力有限公司， 河北 廊坊 065000)

風力發電技術

電網電壓不平衡情況下雙饋風力發電變流器控制*

雷為民1， 苗友忠1， 羅 瑋1， 徐燕生1， 艾 冰2
(1. 國家電網 冀北電力有限公司， 北京 100053； 2. 國家電網 廊坊電力有限公司， 河北 廊坊 065000)

針對電網電壓三相不平衡情況下雙饋風力發電系統輸出功率二倍頻諧波分量帶來的安全穩定問題，提出了一種以消除二倍頻諧波分量為控制目標的正負序雙閉環電流控制策略.建立了雙饋風力發電系統網側變流器不平衡條件下的數學模型，進而分析了二倍頻諧波分量產生的機理，采用四分之一周期延時方法對正負序分量進行分離，且正負序電流單獨參與運算控制來抵消功率二倍頻分量.在Matlab/Simulink軟件上建立了仿真系統，仿真結果表明了理論分析的正確性和提出控制策略的有效性.

雙饋風力發電； 電壓不平衡； 二倍頻； 網側變流器； 數學模型； 正負序分離； 電流雙閉環； 仿真

作為清潔無污染、可持續利用的能源形式，風力發電以其迅猛的產業發展趨勢，已成為新能源發電的一種重要利用形式[1-2].變流器是風力發電和電網的接口裝置，其控制性能對并網系統的安全穩定運行具有重要作用[3-5].在一般的風電變流器控制系統中，均假定電網電壓是理想的正弦標準信號，但是在實際電網中，由于線路阻抗以及外界干擾的影響，電網電壓會出現不平衡現象，如何保證并網變流器在電網電壓不平衡條件下正常運行是目前急需解決的關鍵問題[6-9].在電網發生不對稱故障或不對稱負載運行時都會引起電網電壓的不平衡，而當電網電壓處于不平衡時會導致電壓電流負序分量的出現，造成變流器的網側功率和直流側電壓出現二倍頻諧波分量，這種低頻波動會影響風電并網系統的安全穩定運行.針對上述問題，文獻[6-7]提出了一種電網電壓不平衡條件下變流器直接功率控制方法，對變流器輸出的有功功率和無功功率進行直接控制，以控制輸出電流達到平衡，該方法具有較大的誤差且控制精度不高；文獻[8]在網側逆變器交流側加裝帶通濾波器以消除電網電壓中負序分量，使逆變器只在正序電壓條件下實現DFIG的正常運行，在一定程度上增加了風電場的成本；文獻[9]利用網側變流器端電壓的反饋控制來抑制不平衡帶來的直流電壓波動，該方法參考電流獲取過程繁瑣，不易于實現.

本文建立了雙饋風力發電網側變流器在電網電壓不平衡條件下的同步坐標系數學模型，分析了系統二倍頻諧波分量產生的機理，并提出了一種正負序雙閉環電流單獨控制策略.通過在Matlab/Simulink軟件上建立雙饋風力發電系統的仿真模型，對提出的控制策略進行了驗證.

1 網側變流器數學模型

圖1為基于全功率并網變流器的雙饋風力發電系統的網側變流器拓撲結構圖.當只考慮基波時，網側變流器在電網電壓不平衡條件下可分解為正序和負序2個數學子模型，正負序數學模型根據圖1分析可得

(1)

(2)

圖1 網側變流器拓撲結構Fig.1 Topology structure of grid-side converter

2 倍頻分量產生機理

在電網電壓不平衡條件下，雙饋風力發電并網系統的視在功率為

(3)

(4)

式中：P0、Q0為基波分量饋入電網的有功、無功功率平均值；Pc2、Ps2為有功功率余弦和正弦二倍頻諧波分量；Qc2、Qs2為無功功率余弦和正弦二倍頻諧波分量.結合式(3)和式(4)可以求得各個功率分量的矩陣表達式，即

(5)

由網側變流器直流側功率平衡可得

udcidc=P1-P2

(6)

式中：udc、idc為直流側電容的電壓和電流；P1為雙饋風力發電機側變流器的輸出功率；P2為雙饋風力發電網側變流器的輸入功率.

根據電容器的特性和式(4)可得功率平衡的表達式，即

Ps2sin(2ωt)

(7)

式中，C為直流側電容.從式(7)可以看出，功率的二倍頻諧波分量會引起直流側母線電壓含有二倍頻諧波，造成直流側電容的頻繁充放電，影響電容的壽命，從而不利于并網系統的穩定運行.

3 抑制直流電壓波動的控制策略

要消除變流器直流側電壓倍頻分量帶來的影響，可通過控制使P1=P0，Pc2=0，Ps2=0，則直流電壓將保持不變.根據式(5)計算出并網電流正序和負序的dq軸指令分別為

(8)

(9)

另外，要單獨控制正負序分量，首先必須得有效提取反饋信號的正序和負序分量，本文提出一種基于四分之一周期延時的正負序分離方法.以三相不平衡電壓為例，設三相不平衡電壓分別為

(10)

式中，uP、uN分別為電網電壓的正序分量和負序分量.將上述電壓經正序同步旋轉坐標變換得

(11)

將式(10)代入式(11)可求得

(12)

從式(12)可以看出，不平衡分量經正序同步旋轉坐標變換后，dq軸上的直流分量為正序分量，dq軸上的交流分量則是負序分量.同理對不平衡的三相電壓經負序同步旋轉坐標變換得

(13)

將式(10)代入式(13)可得

(14)

(15)

圖2 正負序分離方法Fig.2 Positive and negative sequenceseparation method

圖3 正負序電流控制結構框圖Fig.3 Structure diagram of positive and negative sequence current control

4 仿真驗證

為了驗證本文所提控制策略的有效性，在Matlab/simulink軟件上搭建雙饋風力發電系統進行了仿真驗證.系統參數為：額定功率PN=1.5 MW，電網額定電壓ug=690 V，變流器直流電壓udc=1 000 V，直流側電容C=8 000 μF，變流器網側濾波電感L=0.3 mH，電阻R=0.01 Ω，開關頻率f=2 000 Hz.

本文以電網電壓的bc兩相跌落50%作為電壓不平衡場景，且全部以標幺值量綱進行分析，不平衡的三相電網電壓波形如圖4所示.圖5～7為當電網電壓不平衡條件時不采取任何控制措施的仿真結果圖，從圖5～7中可以看出，并網電流因含有負序分量而呈現不平衡狀態，并網功率和變流器直流側母線電壓都會含有二倍頻諧波分量而出現低頻振蕩.圖8～10為采用本文提出控制策略的仿真波形圖，由圖8～10可知，并網電流是三相對稱，且并網功率和變流器直流側母線電壓都得到了很好的抑制.

圖4 bc兩相跌落50%時電壓波形Fig.4 Voltage waveforms with bctwo-phase dropping by 50%

圖5 不加控制策略的并網電流Fig.5 Grid-connected current without control strategy

圖6 不加控制策略的并網功率Fig.6 Grid-connected power without control strategy

圖7 不加控制策略的直流電壓Fig.7 DC voltage without control strategy

5 結 論

本文針對電網電壓不平衡問題，提出了一種基于正負序電流雙閉環控制的雙饋風力發電系統網側變流器的控制策略.該控制策略能夠通過正負序坐標變換實現正負序分離，使變流器網側功率和直流側電壓更加平穩，其控制結構簡單，易于實現.通過仿真對提出的控制策略進行了驗證，仿真結果表明，本文提出的控制策略可有效抑制變流器網側功率和直流側電壓的二倍頻諧波分量，保證了該類型風力發電系統在電網電壓不平衡情況下的安全穩定運行.

圖8 增加控制策略的并網電流Fig.8 Grid-connected current with control strategy

圖9 增加控制策略的并網功率Fig.9 Grid-connected power with control strategy

圖10 增加控制策略的直流電壓Fig.10 DC voltage with control strategy

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Controlofdoubly-fedwindpowergenerationconverterunderunbalancedgridvoltage

LEI Wei-min1, MIAO You-zhong1, LUO Wei1, XU Yan-sheng1, AI Bing2

(1. Hebei Electric Power Co. Ltd., State Grid, Beijing 100053, China; 2. Langfang Electric Power Co.Ltd., State Grid, Langfang 065000, China)

Aiming at the safety and stability problems caused by the double frequency harmonic components of output power of doubly-fed wind power generation system under the unbalanced three-phase grid voltage condition, a positive and negative sequence double closed loop current control strategy, where the control target is to eliminate the double frequency harmonic components, was proposed. The mathematical model for the grid-side converter of doubly-fed wind power generation system under unbalanced condition was established, and the generation mechanism of double frequency harmonic components was analyzed. In addition, the positive and negative sequence components were separated with the 1/4 cycle delay method, and the positive and negative sequence currents were separately involved in the operation control to counteract the double frequency power components. Moreover, the simulation system was established with the Matlab/Simulink software. The simulated results verify the correctness of theoretical analysis and the effectiveness of proposed control strategy.

doubly-fed wind power generation; voltage unbalance; double frequency; grid-side converter; mathematical model; positive and negative sequence separation; current double closed loop; simulation

2016-07-11.

國家重點新產品計劃資助項目(2014GR027008).

雷為民(1964-)，男，北京人，高級工程師，碩士，主要從事電網規劃及電力系統分析等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2113.038.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.03

TM 615

A

1000-1646(2017)06-0612-05

(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)