永磁風電系統的低壓穿越組合控制策略

陳攀

（云南電網有限責任公司昆明盤龍供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

由于風能資源主要分布于偏遠地區與海上[1-2]，因此，風電場附近的網架較為薄弱，容易出現電壓跌落故障。在永磁風力發電系統中，永磁發電機輸出的功率通過全功率變流器直接輸送到電網，因此當電網電壓跌落時，機側多余的能量引起的直流電容過電壓將導致開關器件以及直流母線電容的損壞，進而給自身和電網帶來的穩定性問題[3]。因此研究低電壓穿越技術對維持整個電網的穩定具有重要的現實意義和應用價值。

針對永磁風力發電系統的低電壓穿越問題，國內外學者針對永磁風電系統提出了一系列的基于增加硬件保護電路和改進控制策略的低電壓穿越控制方案。硬件保護方面，文獻[4]通過在直流側加帶耗能電阻的撬棒電路實現低壓穿越，電壓跌落時，投入撬棒電路，讓這部分多余能量消耗在耗能電阻上，電路結構簡單，實用性高，但是此方法要額外考慮耗能電阻的散熱問題；文獻[5]在直流側撬棒電路中增加儲能元件，這種方法雖然可以重復利用多余能量，但儲能元件額外提高了系統成本。改進控制策略方面，文獻[6]通過控制網側變換器，使其在電網電壓跌落期間，提供一定的無功功率對電網進行支撐，但是若電網故障較嚴重，持續時間較長，還是需要增加硬件電路進行保護。文獻[7]將直流外環控制應用于在機側變流器的控制中，轉速外環控制應用于網側變流器，從而使機側變流器負責穩定直流電壓，不再需要硬件保護電路，但控制原理比較復雜，系統成本較高。文獻[8]提出改變變流器拓撲結構或者利用輕型直流輸電來提高風電場的低電壓穿越能力，這些技術相對來說都還不成熟。

本文將首先分析電壓跌落情況下永磁風電系統的動態響應特性，然后提出一種低壓穿越的組合控制策略，該策略可同時抑制直流側電壓和提供無功支撐，最后通過仿真進行驗證。

1 風電系統的電壓跌落響應特性分析

以如圖1 所示的永磁直驅風力發電系統拓撲結構為對象進行分析，它主要由3 部分構成，分別是風力機、永磁發電機和連接永磁電機和電網的全功率變流器[9-10]。其中全功率變流器包括機側變流器、直流環節、網側變流器3 部分，機側變流器將永磁電機發出的頻率不固定的交流電能變為直流電能，經中間的直流環節，再由網側變流器逆變為符合并網要求的工頻交流電能。

圖1 永磁直驅風力發電系統基本結構

當電網電壓因為故障原因突然減小后，網側變流器輸出電壓會在短時間內維持原來的值，由此會令網側變流器與電網之間的電壓差值瞬間上升，進而突然增大網側的三相電流，此時增大的網側電流暫時維持了機側和網側功率平衡，但若故障程度繼續加深，超過了系統設定的網側變流器開關器件所能承受的電流限值，電流就不會再繼續增大，網側和機側的有功功率平衡就會被打破。

下面將從機側網側功率平衡的角度對永磁直驅風電系統在電網電壓發生跌落故障下的暫態特性進行理論分析，機側與網側之間的能量交換如圖2 所示。

圖2 直流側功率流動示意圖

由圖2 可以看出，在忽略變流器和網側電抗器的損耗基礎上，發電機輸出的有功功率等于輸入中間直流母線環節的有功功率，中間直流母線環節輸出的有功功率等于輸入電網的有功功率，方程如式(1)、(2)所示。

式(1)、(2)中，Ps為發電機輸出的有功功率；Pg為輸入電網的有功功率；usd、usq為發電機定子電壓的的dq軸分量；ugd、ugq為電網電壓的dq軸分量；udc為直流母線電壓；isd、isq為發電機定子電流的dq軸分量；is為機側變流器輸出到直流側的電流；ig為直流側輸入到網側變流器的電流。

網側變流器采用的是基于電網電壓定向的矢量控制策略，可得ugq=0，因此式(2) 可以簡化為：

當風電系統運行在正常工況時，電機的輸出功率與輸入電網的功率是相等的，即Ps=Pg，此時直流母線電容電壓是穩定不變的，流過直流電容的電流基本為0；當出現電網電壓跌落時，電機的輸出功率與輸入電網的功率就不再相等，出現了功率差值ΔP如式(4)所示：

當電網電壓ugd突然跌落到ugd1時，若還是采用正常工況下的控制策略，因為風速未發生改變，因此發電機輸出的有功功率Ps保持不變，同時網側電流也不會發生突變，導致輸入網側的功率陡然下降，進而使機側輸出的功率大于輸入網側的功率，這部分多出來的能量會儲存在直流母線電容上，使直流電壓發生線性上升，假如沒有限制網側電流值，增大的直流電壓通過網側變流器的電壓外環控制會使網側電流從igd增大到igd1，從而使直流電壓和網側功率都恢復到正常運行的值，因此故障前后的網側功率為：

假如電網電壓跌落到0.2 倍額定電壓，即ugd1=0.2ugd，則為了維持網側功率不變，故障后的網側電流需要增大到原來電流值的5 倍，即id1=5igd，但過大的電流會損壞變流器中的開關器件，因此需要對網側電流進行限幅，限制了網側電流之后，網側功率不能恢復到正常值，式(5)變為：

本文將限流值設為1.2 倍的額定電流，因此發生電網電壓故障后的網側功率實際值如式(7)所示：

由式(7)可知，由于網側電流的限幅，網側的有功功率跌落到只有正常運行狀態時24%的值，機側與網側之間的不平衡功率達到了0.76 p.u.，機側比網側多余的能量就會給直流電容電容充電，讓電容電壓持續上升，若超過直流電容或者變流器開關器件的所能承受的最大電壓，則可能會導致電容或器件被擊穿，威脅到整個風電系統的安全運行。

由上述特性分析可知，為了在電網電壓出現跌落故障時，系統仍能維持正常運行，需要解決的關鍵問題就是直流環節兩側功率不平衡的問題，可在直流側采取撬棒電路消除直流母線上的這部分不平衡功率。但根據并網要求，為了輔助電網在跌落故障發生后盡快恢復正常運行，需要網側變流器提供一定的無功功率，因此本文引入引入網側變流器提供無功支撐的控制方法來進一步完善風電系統的低電壓穿越控制方案。

2 撬棒電路和網側變流器提供無功的組合控制策略

2.1 直流側撬棒電路的控制策略

當電網電壓跌落時，在直流側并聯的撬棒電路能抑制直流母線電壓過度攀升以致損害風電系統運行，以如圖3 所示的耗能電阻型撬棒電路結構為基礎，該電路結構是在直流側增加耗能電阻，將能量消耗在耗能電阻上，避免直流電壓因不平衡功率而上升到超過電容和開關器件所能承受的最大電壓，直流母線通過功率器件與耗能電阻，連接方式相對簡單，結構可靠性較高，因此得到了廣泛應用。

圖3 耗能電阻型撬棒電路

針對耗能電阻型撬棒電路本文采用的是如圖4 所示的電壓偏差經PI 調節控制方法，該控制方法是將直流電壓偏差Δudc進行PI 調節，進而改變撬棒電路的導通占空比，相比于簡單的直流電壓偏差滯環控制方法，造成的直流側電壓波動相對較小，相比于復雜的雙重條件控制法，控制條件的關系更易處理。

圖4 PI調節控制法

2.2 網側變流器提供無功支撐的控制策略

由網側變流器的數學模型[11-12]可知，電網的d軸電流對應的是有功功率，q軸電流對應的是無功功率，通過電流內環控制可以使dq軸電流分別跟蹤到它們的給定值，進而間接控制功率。因此從理論上講，在低壓穿越期間，可以通過給定電網q軸電流的參考值使網側變流器提供相應的無功功率，輔助風電系統恢復正常運行。傳統的dq軸電流控制框圖如圖5 所示。

如圖5 所示，該電流控制框圖包含兩個控制目標，分別是確定有功電流的給定值idref和確定無功電流的給定值iqref無功電流的給定值由電網電壓實際值Us與電網電壓給定值Usref之間的電壓偏差經PI 調節得到。在電網電壓未發生跌落故障時，電壓偏差為零，則計算得到的無功電流給定值也為零，此時網側變流器不提供無功功率；當電網電壓出現跌落故障時，電壓偏差大于零，則計算得到的無功電流給定值也大于零，此時網側變流器提供的無功功率就會隨著電壓偏差的增大而增大。有功電流的給定值是直流電壓外環調節輸出的給定值idref1與用于限流的給定值idref2之間作比較得到的較小值，當電網電壓正常時，iqref為0，則計算得到的idref2為設定的最大電流值imax，此時有功電流采用較小的idref1作為給定值；當電網電壓出現跌落故障時，直流電壓會上升，則電壓外環的輸出idref1也會增大，為了限制網側電流的大小，此時需要取idref1與最大有功電流idref2的較小值作為有功電流給定。由上述對控制框圖的分析可知，該控制可以實現讓網側變流器根據電網電壓跌落故障程度的大小輸出一定無功電流以及限制流過網側變流器電流的功能。

圖5 STATCOM運行模式下的電流控制框圖

但根據國家電網公司2012 年出臺的風電并網規定可知，如果電網故障引起的標幺化風電系統并網點電壓UT跌落程度只是在0.1 p.u.之內，網側變流器依然可以運行在單位功率因數模式下；而當風電場并網點電壓的波動超出一定范圍時，也就是并網點電壓處于0.2 p.u.與0.9 p.u.之間時，按照規定才需要網側變流器根據電壓跌落故障的嚴重程度提供一定的無功功率支撐，此時網側變流器的無功電流的給定值IT關于UT和網側電流額定值IN的表達式如式(8)所示：

因此不同于傳統方案中通過PI 調節輸出無功電流給定值，本文中網側變流器優先按照國家電網規定需要提供無功電流，無功電流給定值與電壓跌落嚴重程度的關系曲線如圖6 所示。

圖6 國家電網風電并網標準中規定的無功電流

2.3 組合低壓穿越控制策略

電網電壓跌落產生的直流電壓過大的波動可以通過啟動直流側撬棒電路，將多余能量消耗在耗能電阻上，從而限制電壓值于最大母線電壓，直流電壓越高，基于耗能電阻的撬棒電路投入的時間就越長，控制策略見2.1 節；同時為了提高風電系統的低壓穿越性能，還可以按照風電并網規定來控制網側變流器優先輸出無功電流，提供無功功率支撐，一定范圍內，電壓跌落的深度越大，網側變流器提供的無功功率就越大，有功電流參考值通過電網電壓外環PI 調節器得到并限幅于最大輸出電流。由于電網電壓跌落越深,直流側與電網側功率越不平衡，對發電系統的威脅越大，有功功率輸出能力不足直流母線電壓失穩，必須投入直流母線側撬棒電路,來消耗直流母線側的多余不平衡能量。

本文提出的組合控制策略通過合理的控制有功電流使整個系統能夠處于直流側撬棒電路的保護范圍內，同時還可以根據并網要求輸出無功功率，來滿足電網對于無功的需求。組合低壓穿越的控制框圖如圖7 所示。

控制框圖7 中，該組合控制方案在進行低電壓穿越的時候主要有兩個個控制目標，分別是防止直流電壓因為不平衡功率被抬升得過高和控制網側變流器由單位功率因數運行轉為提供無功功率的運行。當電網電壓跌落時，機側的有功功率大于網側的有功功率，兩者之前的功率偏差儲存在直流電容內讓直流電壓持續上升，當直流電壓上升到使撬棒電路控制模塊中的直流電壓偏差超過限值時，該直流電壓偏差值經過PI 調節輸出得到直流側撬棒電路的占空比，啟動撬棒電路，讓這部分不平衡功率消耗在耗能電阻上，維持直流電壓的穩定，直流電壓偏差值越大，輸出得到的撬棒電路的占空比就越大，當電網電壓恢復正常時，機側與網側之間的有功功率重新達到平衡，加上電壓外環的調節作用，使直流電壓重新回到給定值，直流電壓偏差為零，從而撬棒電路也不再被觸發；同時，圖7 中計算無功電流的M 函數是一個有關電壓跌落范圍的條件函數，當電網電壓正常或者跌落深度在0.1 p.u.以內時，由圖6 可知，網側變流器輸出的無功電流依然為零，只輸出有功功率；當電網電壓跌落深度超出0.1 p.u.時，按照國家電網的風電并網要求，網側變流器需要提供如式(8)所示的無功電流以助于風電系統進行低電壓穿越。

圖7 組合保護方案的控制框圖

此外，考慮到電流過大會損壞網側變流器開關器件，因此要對有功電流的給定值設計限值idref2，若原本電壓外環輸出的有功電流給定值idref1沒有超過idref2則繼續沿用idref1作為電流給定值，否則就采用idref2。

3 組合控制策略的低壓穿越仿真驗證

為了驗證組合保護方案在電網電壓發生跌落時的低壓穿越控制效果，在Matlab/Simulink環境下搭建了1 MW 風電系統仿真模型中進行仿真，系統的主要仿真參數包括額定功率1 MW，額定風速8.8 m/s，直流側電壓指令值1200 V，直流側電容值3.8 mF，并網電壓690 V，并網頻率50 Hz，空間矢量脈寬調制的開關頻率均為5 kHz。系統運行在額定工況下，耗能電阻設置為1.6 Ω，直流側母線電壓額定值為1200 V，直流電壓上限值為1250 V，網側變流器電流的限幅為1.2 p.u.，設置電網電壓對稱跌落至0.4 p.u.，跌落開始時間為t=1 s，電壓在t=1.5 s 時恢復正常，仿真總時間為2 s。網側變流器根據電壓跌落的深度來發出無功。組合控制策略下的低壓穿越仿真結果如圖8 所示。

由圖8(b)、(c)可以看出，電網電壓跌落期間，網側電流、直流電壓與單純只采用撬棒電路且跌落50%時的電流、直流電壓變化類似，因為二者的電壓跌落引起網側電流和直流電壓增大，電流達到相同的電流限制值1.2 p.u.就不再變化了，直流電壓上升到上限值1250 V 后也保持不變，撬棒電路投入，從而消除了直流電容上積累的多余能量，使直流電壓維持在上限值不再增加；由圖8(d) 可知，當電網電壓跌落時，網側有功功率下降到約為額定功率的50%，有功功率等于跌落后的電壓與增大后的電流的乘積，即0.4 倍額定電壓乘上1.2 倍額定電流，結果與仿真相符，在電網電壓恢復正常的瞬間，有功功率會先出現一個突升之后立刻恢復到額定功率，這是由于之前增大的電流不能瞬時恢復，導致電流電壓的乘積也就是有功功率驟然升高；從圖8(e)看出，無功功率在電壓跌落時輸出增大，因為當電網電壓跌落到0.4 p.u.時，處于0.2 p.u.～0.9 p.u.范圍內，因此網側變流器會從單位功率因數運行變為提供無功支撐的運行，電網電壓跌落故障越嚴重，網側變流器就會提供越多的無功功率，在電壓故障期間，有助于電網電壓的穩定，電網故障恢復后，無功電流又變成0，表明在網側提供無功的控制策略作用下，網側變流器可以實現單位功率因數模式和STATCOM 模式之間的相互切換，向電網發出無功功率，提高了風力發電系統的低電壓穿越能力。

圖8 組合控制策略下的低壓穿越仿真

4 結束語

本文將永磁風電系統作為研究對象，分析了電壓跌落情況下永磁直驅風力發電系統的動態響應特性，結果表明電網電壓跌落故障會使網側電流增大、使直流電壓升高、使網側有功功率下降，提出了改進的網側變流器提供無功與撬棒電路的組合控制策略，使在電網電壓發生較嚴重的跌落故障并且網側電流也已經增大到限幅值的情況下，避免直流電壓因機側與網側之間的不平衡功率而上升到超過電容和開關器件所能承受的最大電壓，同時可按照國家電網的風電并網要求，讓網側變流器提供相應的無功電流以助于風電系統進行低電壓穿越。在Simulink 中驗證了該組合保護方案的有效性，滿足永磁直驅風電系統低壓穿越的要求。該方法與目前工程上使用的故障穿越方法相結合，具有一定的工業應用前景。