電網電壓不平衡時風電變流器網側控制策略研究

徐其惠 曹貝貞 蘇昭暉

（1.東汽投資發展有限公司；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽， 618000）

1 概述

近年來，我國風力發電發展迅速，裝機容量大幅增加，對電網的穩定性影響也越來越大，風力發電對電網的適應性問題也越來越尖銳，電網電壓不平衡就是一個很明顯的例子。在電力機車較多的區域，如三門峽或偏僻的地區電網，風力發電機組需要在電網電壓不平衡的情況下正常并網發電，避免由于電網電壓不平衡導致的三相電流不對稱和電機發熱等問題。

無論雙饋風力發電系統還是直驅風力發電系統，網側變流器都是直接連接電網。電網電壓不平衡時，網側變換器交流側存在負序電流，造成三相電流不對稱，直流側存在一個兩倍于工頻的波動，同時直流電壓波動會影響交流輸入電流，使之產生三次諧波，這會污染電網，危害電網上的其他用電設備[1]。

本文根據實際風電場運行的需要，提出一種在不改變常規風電變流器控制的基礎上，附加負序電流抑制算法的控制方法，較好地解決了實際風電機組由于電流不平衡保護停機的問題，同時不影響正常的風電機組控制，并在實際風電場進行了典型應用，可以對實際風電機組進行直接改造，具有較強的現實意義。

2 電網電壓不平衡時網側變流器控制算法

為簡化分析，我們只考慮電網正序、負序基波電壓的作用，且假設網側變流器的輸入電壓只含正序基波分量，則網側變流器交流側電路可以分解成正序、負序回路，如圖1所示：

圖1 三相電壓不平衡時網側變流器等效電路

其中，eap、ebp、ecp分別為電網三相正序電壓，Vap、Vbp、Vcp分別為網側變流器輸入正序電壓，ean、ebn、ecn分別為電網三相負序電壓，L、R分別為網側變流器輸入電抗器參數。由于MW級風電變流器輸入電抗器很小 （一般小于0.5mH），導致負序電流很大，嚴重時將導致網側變流器過流，甚至燒壞網側變流器裝置。

近年來國內外學者進行了大量研究并提出了許多電網不平衡時變流器的控制方法，如：抑制交流側負序電流的控制方法[1]，負序電流前饋的控制方法[1]，雙電流閉環的不平衡控制方法[2]，基于預測電流的三相不平衡的控制策略[3]，基于自抗擾控制的負序抑制算法[4]等等，各有優缺點，在此不再贅述。目前研究較多的是雙電流閉環的不平衡控制方法，舉例說明。

雙電流閉環的不平衡控制方法首先將電網電壓和網側電流進行正負序分離，然后針對正序和負序分別進行解耦控制以達到網側變流器控制的目的，具體控制原理框圖見圖2。

圖2 雙電流閉環的不平衡控制框圖

該方法從理論上可以完全消除交流側電壓波動，實現對電流的無差跟蹤，其實質是向網側電流中增加適當的負序電流來滿足對交流電壓控制精度的要求。該方法針對正負序分量分別控制，可以做到正負序完全分離，互不影響，但控制復雜，增大了調試難度，不利于直接改造現有的變流器。

圖3 附加負序電流抑制算法控制框圖

在以往研究的基礎上，考慮變流器軟件運行效率和硬件處理能力的限制，提出附加負序電流抑制算法的網側變流器控制方法。

該方法在常規網側變流器控制的基礎上，使用瞬時對稱分量法[5]提取出網側電流的負序分量，然后針對負序電流的dq軸分量分別進行PI調節，最終達到抑制負序電流的目的。

該方法不影響常規的變流器控制和PI參數調節，只需要附加負序電流抑制算法即可消除負序電流的影響，適用于電壓不平衡的風電場變流器改造，也適用于常規變流器，在軟件運行效率變化不大的情況下，有效地避免電網電壓不平衡導致的風機控制問題。

3 仿真及結果

根據實際1.5MW雙饋風電變流器系統參數進行仿真，電網線電壓690VAC，電抗器0.5mH，直流鏈電容15600μF，電壓基值400V，電流基值1000A。使用常規網側變流器控制算法、雙閉環電流控制算法和附加負序電流抑制算法進行仿真比較，從圖4中的c，d可以看出網側電流不平衡度超過40%，主要原因是網側變流器與電網之間阻抗較小，故較小的電網電壓不平衡就會導致較大的網側變流器電流不平衡。從圖4中的b可以看出，電網電壓不平衡時不采取任何處理措施的話，網側變流器電流畸變嚴重，三相間幅值偏差較大，容易觸發電流不平衡保護而停機。

圖5為電網電壓不平衡時常規網側變流器控制算法下的負序dq軸反饋電流值，從中也可以看出實際網側變流器電流中負序成分較大。

圖5 電網電壓不平衡時常規網側變流器控制波形2

圖6為相同的電網電壓不平衡情況下采用正負序雙閉環電流控制方法處理所得波形數據，從圖6（b）可以看出經過控制調節后三相電流趨近于對稱；從圖6（d）對比圖4（d）可以看出網側變流器電流中負序電流成分大幅減小，負序電流得到了較好的抑制。

圖6 電網電壓不平衡時雙電流閉環控制方法波形1

圖7為相同的電網電壓不平衡情況下采用正負序雙閉環電流控制方法處理所得負序dq軸反饋電流波形，與圖5比較可以看出網側變流器負序dq軸電流明顯減小。

圖7 電網電壓不平衡時雙電流閉環控制方法波形2

圖8為電網電壓不平衡時采用附加負序電流抑制算法控制時的電壓電流波形數據。從圖8（b）可以看出經過控制調節后網側變流器三相電流趨于對稱；從圖8（d）對比圖4（d）可以看出網側變流器電流中負序電流成分大幅減小，負序電流得到了較好的抑制；從圖8和圖6對比可以看出附加負序電流抑制算法控制和雙電流閉環控制效果較為接近，都起到了較好的效果，但是附加負序電流抑制算法簡單易實現，軟件運算時間短，調節方便，尤其適用于現有風電變流器的改造。

圖8 電網電壓不平衡時附加負序電流控制方法波形1

圖9為相同的電網電壓不平衡情況下采用負序電流抑制算法處理所得負序dq軸反饋電流波形，與圖5比較可以看出網側變流器負序dq軸電流明顯減??；與圖7相比可以看出，附加負序電流抑制算法控制和雙電流閉環控制效果較為接近，都起到了較好的效果。

圖9 電網電壓不平衡時附加負序電流控制方法波形2

4 結論

本文介紹了電網電壓不平衡時的網側變流器控制算法，并根據實際1.5MW風電變流器的情況進行了仿真計算，提出了一種負序電流抑制算法的網側變流器控制方法。該方法相比于常規風電變流器控制算法而言，較好地解決了電網電壓不平衡導致的網側變流器電流不對稱問題，相比于雙閉環電流控制算法而言，簡單易實現，控制更容易。

電網電壓不平衡時附加負序電流抑制的網側變流器控制方法已經在公司自主型1.5MW雙饋風電變流器使用，并且該方法在實際風電場得到了驗證，取得了較好的控制效果。

[1]張崇巍,張興,等.PWM整流器及其控制 [M].北京：機械工業出版社，2003.10

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[3]林資旭.變速恒頻風力發電機網側變換器在輸入電壓不平衡時控制技術的研究 [D].中國科學院,2006,43-46

[4]賈嶸,劉偉,徐其惠,等.電網電壓不平衡時網側變換器的自抗擾控制策略 [J].水力發電學報,2008,27(5),172-176

[5]袁旭峰,程時杰,文勁宇.改進瞬時對稱分量法及其在正負序電量檢測中的應用 [J].中國電機工程學報，2008,28(1)，52-58