基于直流電容慣性控制的PMSG系統

胡 俊，胡為兵，江衛華

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

近年來，由于風電在交流電網中的滲透能力提高，導致慣性響應和功率衰減能力下降，引起了風力發電機制造商和系統運營商的高度重視[1]。

本文提出了由直流環節電容能量實現風力機虛擬慣性的控制方案。在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真驗證了模型的正確性，分析了風力發電機模型的適用性[2-3]。

1 PMSG發電系統模型

直驅永磁風力發電系統主要由風力機、永磁同步發電機（PMSG），雙PWM變換器三大主要結構組成，如圖1所示。

圖1 PMSG發電系統結構圖

PMSG將機械動力從氣動系統轉換為交流電源，然后通過IGBT脈寬調制（PWM）變換器將其與直流端口的直流鏈路連接，將其轉換為直流電源。發電機輸出功率通過PWM逆變器傳輸到電網。通常對PMSG的數學模型的研究都是在同步旋轉d-q坐標系下進行，三相靜止坐標系abc，通過Clark變換和Park變換得到d-q坐標系。

2 變換器及其控制

2.1 發電機側變換器控制

采用解耦控制策略。差值作為PI控制器的輸入，輸出經過Park變換送給空間矢量控制器SVM，再經PWM調控來控制IGBT的開通與關斷。為了理解控制的概念，需要討論運動方程。給出了一個典型發電機的運動方程：

其中，j為包括風力機和發電機在內的整個系統的轉動慣量，B為摩擦系數。

由發電機的運動方程可知發電機的轉速由電磁轉矩控制，可以通過改變q軸電流分量來控制發電機的轉速，控制q軸電流跟蹤最大功率。將d軸電流分量置為0，減小發電機的損耗。

2.2 電網側變換器控制

電網側變換器主要用來控制直流電容電壓與電網功率。其控制原理如圖2所示，整個控制方案采用電網電壓參考系，d軸與電網電壓共線選擇。電網側變換器采用雙環矢量控制，外環為直流電壓控制環，內環為電流環，通過跟蹤電壓外環輸出的有功電流給定信號實現對有功功率的控制。無功功率主要由無功功率偏差產生無功電流給定來實現。

3 直流電容環節慣性支撐

在電力系統中，負荷和發電量之間的任何不平衡都會導致系統頻率的變化。同步發電機（SG）本質上利用其機械慣量來平滑頻率偏差，分析如下：

圖2 電網側變換器控制

其中，H為SG慣性常數，f為系統頻率，ΔP是SG的機械功率和電功率之間的偏差。在相同的時間范圍內，H越大，頻率變化越小。

為了模擬式（2）中的慣量。直流鏈路電壓在一定程度上類似于系統頻率，因此：

其中，HDC為直流鏈路電容提供的等效虛慣性常數。對（3）兩邊隨時間積分得：

其中，VDC0和f0分別為直流電容電壓和系統頻率的標稱值。通常，它們被設置為1p.u.。本文將直流鏈路電壓約束設為±0.1 p.u.。精確的值取決于絕緣要求和PWM模式。因此（5）可以在其平衡點附近線性化：

直流電容能量慣性控制的控制過程可以推導如下：

其中，KDC為控制參數，可根據PWM頻率、VSC電流額定值等技術要求進行合理設計。上述控制過程實際形成了如圖3所示的直流鏈路電壓降控制方案。由式（6）和式（7）可得HDC與KDC之間的關系為：

4 仿真分析

在Matlab中對基于直流電容慣性控制的永磁同步風力發電系統進行仿真，仿真分析了如下兩種情況。

4.1 有無直流電容提供慣性的比較分析

直流電容提供慣性策略能夠減小PMSG發電機轉速出現的振蕩。有功功率對比，直流電容提供慣性能夠更好的平滑有功，使有功功率更加穩定，可以使PMSG轉子穩定的工作在最佳功率曲線上。直流電容提供慣性策略使無功功率波動更小，在需要無功功率時能夠提供更大的無功并且能夠保持無功基本恒定，減小電網負荷。

圖3 直流鏈路電壓降控制

4.2 帶有直流電容提供慣性不同慣性常數結果分析

隨著慣性控制參數KDC的增大，系統的慣性也不斷增大，PMSG發電機轉子振蕩越小，當增大到某一值時，由于轉子本身結構的限制，會導致振蕩增大，因此要將慣性常量控制在一定范圍內才能更好的有效運行。隨著慣性常量的增大，有功功率會變得越來越平滑，發電機輸出功率與輸入到電網的功率達到平衡，提高了功率轉換效率。可以通過改變慣性常數來改變無功消失的時間，使系統更具控制性和操作性。隨著慣性常數的增大，在剛開始時直流鏈路電壓發生波動，為系統提供的合適慣性，從而增大發電機的輸出功率，隨后直流鏈路電壓快速趨于穩定，便于將發電機輸出功率轉移到電網上。

5 結 論

本文提出了由直流環節電容實現風力機虛擬慣性的控制方案。通過與轉子動能慣性支撐相比較，直流環節電容提供慣性，可以提供更大的慣性常數，更好的平滑有功功率，提供更加穩定的直流電壓，有利于風力機輸出功率全部轉化到電網上，為系統提供快速的支持。