雙PWM 變換器式風電機組低電壓穿越控制策略研究?

林敏洪 陳建鈿 侯祖鋒 潘凱巖 梁 苑 劉謀君

(1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000)

隨著近幾年國民經濟的發展，我國的風力發電市場快速發展[1－3]，據研究，我國新研發的風電吊裝和并網運營容量都呈現大比率增長，全國總計風電吊裝和并網運營容量累積可達到50 GW 和35 GW。目前已經被普遍使用的風電機組中，變速恒頻雙饋風電機組占據比例最高，成為當前主要流行的風電機組型[4－6]。在風力發電需求的引領下，風電行業逐漸生長，風力發電占據電網總量逐年上升，大規模的風力發電對國家電網也產生了較大的影響。因此，國家開始著手控制風電機組的擴張，要求風電機組具備低電壓穿越性能，以能在電網故障情況下繼續運行，并且能夠促使電力系統正常運行[7]。據調查得知，國外大部分電網企業提高了風電場的運營要求，因此，國內部分電網運營商開始對風電機組劃定并網指標，其中風電機組低電壓穿越就是并網指標的重要舉措之一。

風電機組也稱為風力發電機組，其由風輪、發電機組成。本文在查閱了風電機組低電壓穿越的相關資料的基礎上，對其發電機定子過電流、轉子過電流、變流器直流母線過電壓以及發電機電磁轉矩震蕩情況進行了研究和控制，得出結論。風電機組葉片的槳距角關系著風電機組的正常轉速，因此需要對其進行控制，從而減小風力，避免發生停機現象。當電網出現故障時，風電機組運行受阻，但是對其采取有效的控制手段后，故障會及時清除，可以促使功率快速恢復正常，輸出功率正常流動，實現電力系統重新運行。因此，想要提高風電機組低電壓穿越，就要對其漿距角的控制原理進行研究、分析，采用一定的方法進行仿真，針對出現的情況進行控制，最后，找出可行的控制策略，便利風電機組可以及時應對電壓跌落等情況。

1 風電機組低電壓穿越概述

隨著國家電網要求風電機組具備低電壓突起性能，可以在電網故障下繼續正常運行，這促使風力發電行業不斷更新技術，逐漸開始低電壓穿越試運行，依據國家電網企業標準0/GDW 392—2009?風電場接人電網技術規定?的標準，風電機組低電壓穿越需要結合標準制定電壓跌落標準曲線圖，具體如圖1 所示[8－9]。

圖1 低電壓穿越要求

圖中橫軸數值表示電壓跌落時間，以0.5 s 作為一個時間節點，縱軸數值表示并網電壓和標準電壓的比值，電壓跌落的深度與風電機組運行的時間都不一樣，且電壓跌落時間與風電機組運行時間成正比。其中標準的數值是網點電壓故障降落至20%時，依據標準電壓，風電機組要保持繼續運行至620 s，促使低電壓穿越時間總量和電網恢復運行時間相匹配[10]。在發電機的電磁功率故障消除時，風電機組運行功率要自動恢復到標準數值，保證至少50%/s 的固定功率變化區間，直到恢復到初始數值。風電機組低電壓穿越時網點電壓跌落幅值(標幺值)和電壓跌落時間的測試數值，具體如表1 所示。

表1 風電機組低電壓穿越測試點電壓及時間

其中，電機組的測試數值針對大于80%的固定功率和5%到25%固定功率之間的電流短路進行三相與兩相測試。表中數值明顯表示風電機組在電壓跌落期間，保持低電壓穿越運行，促使了風電機組功率轉速不斷上升，有效防止了電網斷網、機組停機，及時促進機組的功率持續輸出，促使電網功率保持恢復，清除障礙[11]。

2 電網故障時電機側變換器控制策略

直流側電壓uda的平穩控制能夠實現風能跟蹤，這需要電機側變換器來實現對uda的控制，進而通過控制電網側變換器實現并網，具體的系統結構圖如圖2 所示。

圖2 基于雙PWM 變換器的永磁直驅風電系統結構

從文獻中可以知道，電網電壓正常時，可以對永磁同步發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)定子電流q軸分量進行預測，從而對電磁轉矩情況進行控制，在電機組風力轉動過程中，通過控制調節風力轉速，使風電機組能夠以最佳的葉速運行，實現風能利用的有效化，做好對風源的控制。另外，在固定風速標準下，風速變化時，PMSG輸出功率指令PS，具體的公式為PS＝kω3－ΔP，其中k表示調節因子，ω是角頻率，ΔP是功率變化量。

有效功率指令P可以自行控制發電機的輸出功率，對風電機組進行指示以獲得最大風能。在標準的風速上，風電機組可能會發生超速現象，所以需要采取變槳操作來控制風電機組的氣動功率，使其按照發電機固定功率控制發電機組的功率，實現發電機組的恒定功率以及系統的穩定。研究表明，電網在正常運行時，PMSG 可以控制電網系統外環，采用有固定功率的閉環PI 進行調控，促使其自動調節，在調節后為發電機傳送定子電流q軸分量，最后控制電網系統內的內環，分別在內環一側進行定子d軸、q軸電流調控[12]。另外，當電網發生故障時，電網兩側的變換器電壓跌落無法為發電機輸出有效的功率時，剩余的電流若不加強控制就會直接流入側電容進行自動充電，這會使側電容內電壓達到很高的數值，最終威脅到并網變流器的平穩運行。所以，機組人員應該限制一定的電網側變換器在電網故障時多余電流的流入，避免直流越過電壓和電網側變換器。

槳距角調節系統的響應時間為幾百毫秒或者秒級，所以需要對其進行3 到10 個周期的電網短路故障測試，但實際上采用變槳調節難以有效限制發電機輸出的額定功率，而發電機控制系統可以將電流控制的動態時間控制在十毫秒之內，所以一般電網出現故障時都會采用限制發電機轉矩電流的方式來保證發電機可以輸出額定功率[13]。

3 低電壓穿越控制策略

風電機組的主控系統在低電壓穿越期間的控制策略主要表現在兩個方面，第一個是對變槳機組的控制，通過對槳距角進行調節后，控制對風能的捕獲，縮短風能帶進去的氣動力矩，防止機組轉速過快。第二個是在電網故障后電壓恢復時，保持電網兩側的變壓器有一定的額定功率輸出。風電機組的轉速和風能吸收時的輸入功率與風電機組的輸出功率的差距有關，當電網故障時，電壓驟降，風電機組可以瞬間進入低電壓穿越狀態，降低輸出功率。其次，風電機組的變壓器出現轉子過流和母線過壓等一些現象，致使風電機組在啟動時電路和母線中斷，不能保護電路順暢運行，導致發電機組的電磁阻轉矩縮小。當風輪轉矩不變時，電磁阻轉矩不穩定會使風電機組的轉速急速上升，因此就需要增大槳距角，降低風速，實現變槳距控制[14]。

在風電機組低壓穿越時，槳距角一是通過主控系統的指示自行設定一定的數值，讓變槳機系統通過內部控制器加大速度實現變槳角的調節，二是主控系統在直接輸出緊急順槳控制(Emergency Feathering Control，EFC)信號后保證變槳系統可以快速完成槳距角的調節。不同的變槳系統調節EFC 信號時采用不同的方式，比如直流伺服(Servo System Based，SSB)變槳系統是在主控系統輸出EFC 信號后，變槳系統開始緊急順槳，隨著信號的消失，順槳停止[15]。其可以通過控制信號實現脈沖寬度調節槳距角，緊急順槳的槳距角數值可以利用試驗臺進行測試，當數值超過標準時，變槳系統不再繼續加速。研究發現，風電機組的固定風速越大，葉片的開始槳距角數值就會越大，在低壓穿越期間，槳距角會逐漸減小，變槳系統調節時間也會變短。當槳距角在一定風速下變為0°時，低電壓穿越時變槳系統需要調整的角度數值就會變大，時間也就變長[16－17]。

4 結果驗證

如圖3 所示為系統整體控制框圖，電機側變換器與電網側變換器均采用PI 控制，這是因為工程應用中PI 控制簡單易實現。電機側變換器的d軸電流設定為0，q軸電流設定為根據電機模型計算得到的值；電網側變換器的設定電流是通過直流側電壓的穩定控制得到，其中需要鎖相環(Phase Lock Loop，PLL)模塊進行鎖相。

圖3 雙PWM 變換器控制框圖

為了驗證本文所述策略的有效性，采用如圖4 所示的電機進行風電機組的模擬。圖5 所示為雙PWM變換器實物圖，圖6 所示為電網側的隔離變壓器。

圖4 電機

圖5 雙PWM 變換器

圖6 網側隔離變壓器

圖7 所示為風速固定且并網母線電壓發生變化時的波形，縱坐標表示電壓相對于基準電壓的標幺值。為了驗證本文所述控制策略的有效性，設置并網母線電壓值的變化倍數如圖7 所示，2 s～3 s 時設置為1.5 倍，3 s～4.5 s 時設置為1.3 倍，4.5 s～5.5 s 時設置為1.25 倍，5.5 s～6.5 s 時設置為1.2 倍，6.5 s～7.5 s時設置為1.15 倍，7.5 s～9 s 時設置為1.1 倍。

圖7 機端并網母線電壓輸出情況

圖8 所示為設定故障發生時的q軸電流以及給定變化圖。從圖中可以看出，q軸電流能夠很好地跟蹤給定電流，當2 s 故障發生時，q軸電流受到一定的沖擊，但是很快趨于穩定，證明了電機側電流控制器的有效性。3 s～4.5 s 時為了保證直流電壓穩定，發生低電壓穿越時能夠發現電流給定會發生降低，配合電壓降低時導致的功率降低，后續繼續穩定至原電流值。

圖8 電機側變換器q 軸電流

圖9 所示為并網母線電壓發生故障時的電壓以及電流波形。從圖中可以看出并網母線電壓變化與圖5 一致，同時并網電流變化與電壓變化趨勢相反，這是為了保證低電壓穿越時也具備穩定的功率輸出。

圖9 并網母線電壓以及電流變化圖

圖10 所示為直流側電壓波形，發生低電壓穿越故障時，直流側電壓在每次并網電壓變化時都有沖擊，但是很快都能穩定，證明了控制策略的有效性。

圖10 直流側電壓

5 結語

本文重點對雙PWM 變換器并網下的風電機組低壓穿越運行控制策略進行了研究，電網故障時通過限制電流運行功率來保證輸入的電流達到一定的功率，不對變換器和發電機造成破壞。也保證電網在故障時，采用發電機網側變換器內電流閉環控制促使直流電壓穩定運行，最終促使風電機組可以保持低電壓穿越。本文通過電機側變換器控制策略和低電壓穿越控制策略的研究，為我國風能利用提供一定的研究依據。