永磁風電系統低電壓穿越控制策略研究

鄭榮美，朱 凌

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引言

隨著全球能源短缺和環境惡化，各國逐漸認識到發展可再生能源的重要性，風力發電得到了迅速發展。永磁直驅風電系統省去了故障率高的齒輪箱，具有機械損耗小、發電效率高、成本低、低電壓穿越能力強等優點，具有不錯的發展前景。

電網電壓跌落會對風電系統的直流側電容器和電力電子器件造成不利影響。新的入網規則規定，風電機組在并網點發生電壓跌落的時候，風機應保持不脫網，并向電網提供一定的無功支持，以加快電網電壓的恢復，這就是低電壓穿越。

本文針對Boost 升壓型永磁直驅風電系統，在電網電壓跌落期間，通過把網側的功率信號引入發電機側，作為發電機輸出功率參考值，減少了直流兩側的功率不平衡，防止了直流過電壓。根據電網的跌落深度以及國網公司對并網技術要求，迅速向電網輸出無功，以提升電網電壓，從而實現低電壓穿越。

1 低電壓特性分析

本文采用“不可控整流+ Boost 升壓+ PWM逆變型”永磁直驅風電系統，拓撲結構如圖1。

圖1 永磁直驅風電系統拓撲結構Fig．1 PMSG system

當電網電壓發生三相對稱性跌落故障時，升壓斬波電路的作用是保持永磁直驅同步發電機(PMSG)正常運行，實現最大功率追蹤，然而逆變器側的容量有限，注入電網的功率會瞬時減小。Boost 斬波環節的電容器兩側的功率不平衡。如下式:

式中:Pgen為發電機輸出的有功功率;ω 為電容器的儲存的能量;u 為直流母線的電壓;ΔP 為直流兩側的功率差。由公式(3)可知，電容器兩側的功率差會導致直流電容的電壓迅速上升，可能會超過其承受能力。傳統的控制策略是在直流環節增加卸荷電阻來消耗掉ΔP。然而當跌落的時間較長時，卸荷電阻的熱量難以耗散，需增加額外的冷卻設備。本文提出的控制策略無需增加任何專門元件，提高了經濟性。

2 Boost 升壓環節的控制

發電機發出交流電，經過不控整流器和Boost升壓環節，由逆變器并入電網。當風速低于額定風速時，發電機輸出的功率在額定功率以下，通過控制發電機的電磁轉矩，改變風機的轉速，實現最大功率追蹤［1］。Boost 升壓環節的數學表達式如下:

當可控開關導通時，α =1;當開關關斷時，α=0。

在最大功率-轉速曲線給定情況下，可根據所測得的轉速計算出最大功率參考值。由于電樞電流和發電機的電磁轉矩成正比，故可令電磁轉矩作為電樞電流的參考值，與電樞電流的測量值的偏差經過PI 控制器，再與三角波比較產生脈沖來控制升壓斬波器中可控開關的通斷［2，3］。

當電網電壓跌落后，由于風速和轉速輸入量沒有發生變化，此時發電機機側仍可以保持最大功率輸出，可以通過減少發電機的輸出功率來限制機側直流側電壓的上升。當電網電壓跌落時，把發電機輸出功率的參考值切換到網側變流器的輸出量。跌落消失后，切換回最大功率追蹤狀態［4］。控制框圖如圖2 所示。電壓跌落檢測模塊fcn 函數如下:

其中，u 為電壓輸入端口;u1 為最大功率追蹤輸入功率;u2 為網側功率測量值輸入端口。

圖2 Boost 升壓控制電路框圖Fig．2 Boost control diagram

3 網側變流器的控制策略

網側變流器在dq 同步旋轉坐標系下的數學模型如下:

把電網電壓矢量定向于d 軸，可知eq為零。于是得到:

式中:P 為逆變器輸送到電網的有功功率;Q 為逆變器輸送到電網的無功功率。通過分別控制有功和無功電流，即可實現對網側有功和無功的獨立控制。實現了有功和無功的解耦［5］。若令iq為零，即可實現單位功率因數并網。

當電網電壓跌落時，若保持單位功率因數并網，對電網的低電壓運行會很不利。因此，提出一種網側運行于無功優先模式下的控制策略，如圖3 所示。

國家標準要求MW 級以上的風電場群，每個風電場在低電壓穿越的過程中應注入電力系統的動態無功電流為

圖3 網側逆變器的外環控制結構圖Fig．3 Block diagram of grid-side inverter controller

電網電壓正常時，網側保持有功輸出最大化，無功輸出為零。當電網電壓發生跌落到0.9 以下時，根據公式(8)可得到網側無功電流的參考值。

直流電壓環的輸出作為有功電流的參考值。由于網側變流器的容量是有限的，故有功電流的限幅值如下式:

若有功參考電流小于限幅值，表明網側變流器能對直流側電壓進行調節，否則表明調節器已達飽和［6，7］。

有功電流環和無功電流環的fcn 函數模塊小程序如下:

其中，u1 為直流電壓環經過PI 的值;u1 為有功電流的限幅值。

其中，u1 =1.5 × (0.9 －Us) ×1

u 為電網電壓測量值;u1 為電網規定的無功電流指令;u2 為電網電壓環無功電流的輸出值。

4 仿真驗證

基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，搭建了改進的Boost 升壓型永磁直驅風電系統。具體仿真參數為:額定風速為11 m/s，風電系統容量為50 ×2 MW。額定電壓是690 V，額定頻率為50 Hz，發電機極對數為38，定子電阻Rs=0.006 6 Ω，直軸電抗Ld=0.001 4 H，交軸電抗Lq=0.002 4 H，直流電壓為1 200 V，網側限流值為1.1 p. u．。網側電壓的跌落50%，持續時間0.2 s。本仿真系統由50 臺風電機組組成的風電場，整個系統的仿真如圖4 所示，仿真結果如圖5 所示。

圖4 風電場仿真圖Fig．4 Simulink diagram of wind farm

由圖5 (a)可知當電網電壓跌落50%時，網側電壓迅速上升到0.65 p．u．，表明網側變流器輸出了無功功率，提升了電網電壓。

由圖5 (b)可知在正常運行狀態下，風電機組輸出的無功功率約為0;當電網電壓跌落50%時，輸出的40 Mvar 的無功功率，表明網側變流器運行在無功優先模式。

由圖5 (c)可知在正常運行狀態下，風電機組輸出全部的有功功率;當電網電壓跌落50%時，輸出的有功功率為70 MW。

圖5 (d)表明控制策略改進后，在電網電壓跌路通過把網側的功率信號引入機側，減小了電網電壓跌落期間的直流兩側的功率差，大大降低了直流側電壓。

圖5 (e)表明在正常運行狀態下，風機的輸入機械功率等于輸出電磁功率，故轉速恒定。當電網電壓跌落時，通過改進機側變流器控制策略，限制了發電機的輸出功率。此時風機的輸入和輸出功率不平衡，導致轉速增加，由于風機的轉動慣量很大，故轉速增加不多。

5 結論

本文提出一種新的適合于永磁直驅風電系統的低電壓穿越控制方案。通過限制發電機的輸出功率來限制直流側的過電壓，并且使網側變流器運行于無功優先輸出模式，提升跌落期間的電網電壓，增強了風電系統低電壓穿越的性能。該控制方案無需任何多余的硬件保護裝置。本文僅僅針對電網電壓三相對稱跌落故障，對于不對稱跌落故障有待進一步研究。

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