電網(wǎng)電壓不平衡情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器控制*

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

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

電網(wǎng)電壓不平衡情況下雙饋風(fēng)力發(fā)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(guó)家電網(wǎng) 冀北電力有限公司， 北京 100053； 2. 國(guó)家電網(wǎng) 廊坊電力有限公司， 河北 廊坊 065000)

針對(duì)電網(wǎng)電壓三相不平衡情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率二倍頻諧波分量帶來(lái)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，提出了一種以消除二倍頻諧波分量為控制目標(biāo)的正負(fù)序雙閉環(huán)電流控制策略.建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器不平衡條件下的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而分析了二倍頻諧波分量產(chǎn)生的機(jī)理，采用四分之一周期延時(shí)方法對(duì)正負(fù)序分量進(jìn)行分離，且正負(fù)序電流單獨(dú)參與運(yùn)算控制來(lái)抵消功率二倍頻分量.在Matlab/Simulink軟件上建立了仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)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(fēng)力發(fā)電； 電壓不平衡； 二倍頻； 網(wǎng)側(cè)變流器； 數(shù)學(xué)模型； 正負(fù)序分離； 電流雙閉環(huán)； 仿真

作為清潔無(wú)污染、可持續(xù)利用的能源形式，風(fēng)力發(fā)電以其迅猛的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，已成為新能源發(fā)電的一種重要利用形式[1-2].變流器是風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)的接口裝置，其控制性能對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用[3-5].在一般的風(fēng)電變流器控制系統(tǒng)中，均假定電網(wǎng)電壓是理想的正弦標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，但是在實(shí)際電網(wǎng)中，由于線路阻抗以及外界干擾的影響，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，如何保證并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下正常運(yùn)行是目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[6-9].在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障或不對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)都會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不平衡，而當(dāng)電網(wǎng)電壓處于不平衡時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓電流負(fù)序分量的出現(xiàn)，造成變流器的網(wǎng)側(cè)功率和直流側(cè)電壓出現(xiàn)二倍頻諧波分量，這種低頻波動(dòng)會(huì)影響風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[6-7]提出了一種電網(wǎng)電壓不平衡條件下變流器直接功率控制方法，對(duì)變流器輸出的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行直接控制，以控制輸出電流達(dá)到平衡，該方法具有較大的誤差且控制精度不高；文獻(xiàn)[8]在網(wǎng)側(cè)逆變器交流側(cè)加裝帶通濾波器以消除電網(wǎng)電壓中負(fù)序分量，使逆變器只在正序電壓條件下實(shí)現(xiàn)DFIG的正常運(yùn)行，在一定程度上增加了風(fēng)電場(chǎng)的成本；文獻(xiàn)[9]利用網(wǎng)側(cè)變流器端電壓的反饋控制來(lái)抑制不平衡帶來(lái)的直流電壓波動(dòng)，該方法參考電流獲取過(guò)程繁瑣，不易于實(shí)現(xiàn).

本文建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的同步坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，分析了系統(tǒng)二倍頻諧波分量產(chǎn)生的機(jī)理，并提出了一種正負(fù)序雙閉環(huán)電流單獨(dú)控制策略.通過(guò)在Matlab/Simulink軟件上建立雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

圖1為基于全功率并網(wǎng)變流器的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖.當(dāng)只考慮基波時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下可分解為正序和負(fù)序2個(gè)數(shù)學(xué)子模型，正負(fù)序數(shù)學(xué)模型根據(jù)圖1分析可得

(1)

(2)

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of grid-side converter

2 倍頻分量產(chǎn)生機(jī)理

在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的視在功率為

(3)

(4)

式中：P0、Q0為基波分量饋入電網(wǎng)的有功、無(wú)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(wú)功功率余弦和正弦二倍頻諧波分量.結(jié)合式(3)和式(4)可以求得各個(gè)功率分量的矩陣表達(dá)式，即

(5)

由網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)功率平衡可得

udcidc=P1-P2

(6)

式中：udc、idc為直流側(cè)電容的電壓和電流；P1為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的輸出功率；P2為雙饋風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器的輸入功率.

根據(jù)電容器的特性和式(4)可得功率平衡的表達(dá)式，即

Ps2sin(2ωt)

(7)

式中，C為直流側(cè)電容.從式(7)可以看出，功率的二倍頻諧波分量會(huì)引起直流側(cè)母線電壓含有二倍頻諧波，造成直流側(cè)電容的頻繁充放電，影響電容的壽命，從而不利于并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

3 抑制直流電壓波動(dòng)的控制策略

要消除變流器直流側(cè)電壓倍頻分量帶來(lái)的影響，可通過(guò)控制使P1=P0，Pc2=0，Ps2=0，則直流電壓將保持不變.根據(jù)式(5)計(jì)算出并網(wǎng)電流正序和負(fù)序的dq軸指令分別為

(8)

(9)

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

(10)

式中，uP、uN分別為電網(wǎng)電壓的正序分量和負(fù)序分量.將上述電壓經(jīng)正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jīng)正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(fù)序分量.同理對(duì)不平衡的三相電壓經(jīng)負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得

(13)

將式(10)代入式(13)可得

(14)

(15)

圖2 正負(fù)序分離方法Fig.2 Positive and negative sequenceseparation method

圖3 正負(fù)序電流控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of positive and negative sequence current control

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性，在Matlab/simulink軟件上搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.系統(tǒng)參數(shù)為：額定功率PN=1.5 MW，電網(wǎng)額定電壓ug=690 V，變流器直流電壓udc=1 000 V，直流側(cè)電容C=8 000 μF，變流器網(wǎng)側(cè)濾波電感L=0.3 mH，電阻R=0.01 Ω，開(kāi)關(guān)頻率f=2 000 Hz.

本文以電網(wǎng)電壓的bc兩相跌落50%作為電壓不平衡場(chǎng)景，且全部以標(biāo)幺值量綱進(jìn)行分析，不平衡的三相電網(wǎng)電壓波形如圖4所示.圖5～7為當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡條件時(shí)不采取任何控制措施的仿真結(jié)果圖，從圖5～7中可以看出，并網(wǎng)電流因含有負(fù)序分量而呈現(xiàn)不平衡狀態(tài)，并網(wǎng)功率和變流器直流側(cè)母線電壓都會(huì)含有二倍頻諧波分量而出現(xiàn)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(wǎng)電流是三相對(duì)稱，且并網(wǎng)功率和變流器直流側(cè)母線電壓都得到了很好的抑制.

圖4 bc兩相跌落50%時(shí)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(wǎng)電流Fig.5 Grid-connected current without control strategy

圖6 不加控制策略的并網(wǎng)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(jié) 論

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡問(wèn)題，提出了一種基于正負(fù)序電流雙閉環(huán)控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略.該控制策略能夠通過(guò)正負(fù)序坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分離，使變流器網(wǎng)側(cè)功率和直流側(cè)電壓更加平穩(wěn)，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn).通過(guò)仿真對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，本文提出的控制策略可有效抑制變流器網(wǎng)側(cè)功率和直流側(cè)電壓的二倍頻諧波分量，保證了該類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

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

圖9 增加控制策略的并網(wǎng)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

[1] 汪旭旭，劉毅，江娜，等.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展綜述 [J].電氣開(kāi)關(guān)，2013，51(3)：16-19.

(WANG Xu-xu，LIU Yi，JIANG Na，et al.Summary of wind power technology development [J].Electric Switchgear，2013，51(3)：16-19.)

[2] 程啟明，程尹曼，王映斐，等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展綜述 [J].自動(dòng)化儀表，2012，33(1)：1-8.

(CHENG Qi-ming，CHENG Yin-man，WANG Ying-fei，et al.Overview of the development of control technique for wind power generation system [J].Process Automation Instrumentation，2012，33(1)：1-8.)

[3] 付明星，李明成，馬培鋒，等.永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器無(wú)傳感器控制研究 [J].電氣傳動(dòng)，2014，44(2)：11-14.

(FU Ming-xing，LI Ming-cheng，MA Pei-feng，et al.Research on sensorless control for PMSG of direct-drive wind power converter [J].Electric Drive，2014，44(2)：11-14.)

[4] 唐美，穆星星.DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略仿真研究 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(10)：156-158.

(TANG Mei，MU Xing-xing.The simulation study on control strategy of the DFIG grid-side converter [J].Electronic Design Engineering，2014，22(10)：156-158.)

[5] 葉鵬，田汝冰，滕云.基于雙饋風(fēng)機(jī)變槳與變速協(xié)調(diào)的頻率控制 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(3)：260-267.

(YE Peng，TIAN Ru-bing，TENG Yun.Frequency control based on coordinated variable pitch and variable speed in DFIG [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(3)：260-267.)

[6] 楊沖.不平衡電壓下三電平全功率風(fēng)電變流器的控制研究 [D].上海：上海電力學(xué)院，2014：1-84.

(YANG Chong.Control method research based on unbalanced voltage of the three-level full power wind power converter [D].Shanghai：Shanghai University of Electric Power，2014：1-84.)

[7] Eloy J，Arnaltes S，Rodriguez J L.Direct power control of voltage source inverters with unbalanced grid voltages [J].IET Power Electronics，2008，3(1)：395-407.

[8] 陳傳梅.不對(duì)稱電網(wǎng)條件下三相并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012：1-76.

(CHEN Chuan-mei.Research on control technique for grid-connected inverter under distorted three-phase systems [D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012：1-76.)

[9] 蘇紹澤，楊洪耕.不平衡電網(wǎng)電壓下永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略 [J].現(xiàn)代電力，2014，31(2)：15-20.

(SU Shao-ze，YANG Hong-geng.A control strategy of the grid-side converter for directly-driven wind turbine with PM synchronous generator under unbalanced grid voltage level [J].Modern Electric Power，2014，31(2)：15-20.)

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(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014GR027008).

雷為民(1964-)，男，北京人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及電力系統(tǒng)分析等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)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(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)