直驅式永磁風力發電系統低電壓穿越的控制策略研究

王陳晨，涂嬌嬌，周國威

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

目前，全球正在面臨著能源的危機，可再生能源的開發與利用也越來越受到世界各國的重視。在眾多類型的可再生能源中，風能由于具有開發容量大、廉價以及清潔等優點，成為當今最有開發前景的綠色能源之一［1］。但是，風能的輸出特性受自然條件的影響很大，具有明顯的非線性特征，所以，建立永磁發電機組模型，研究風力發電功率的最大跟蹤是非常有必要的。文獻［1］研究了永磁機在不同風速下的運行特性。文獻［2］研究了背靠背PWM換流器的工作原理并給出了網側換流器的數學模型，但是忽略了機側換流器的工作模型以及對系統的影響。文獻［3－6］介紹了永磁風機的低電壓穿越特性，并提出控制槳距角調整輸出功率，但對轉速超過安全值時的保護未深入考慮。文獻［7］在DIgSILENT/PowerFactory中建立了永磁同步發電機和控制系統的仿真模型，對系統的輸出特性進行分析。文獻［8］研究了不同電壓跌落造成的影響，以及一些常見的保護方案。為了彌補這些方法存在的缺陷，本文建立了永磁發電系統換流器和軸系的數學模型，在傳統控制的基礎上進行改進，實現網側電壓跌落時的低電壓穿越，并在PSCAD/EMTDC的仿真環境下，驗證了其控制策略的有效性和可行性。

1 直驅式風力發電系統運行特性分析

1.1 風電系統的基本結構

直驅永磁同步發電機組由風力機、永磁機、機側換流器、直流電容、網側換流器及控制系統組成［2，9］。風力機和永磁機通過傳動系統直接耦合，能提高系統運行的可靠性和降低系統的維護成本。直驅永磁同步發電機通過機側整流器整流后由直流側電容進行支撐，再經過網側的逆變器轉換成交流電送入電網。永磁機組的基本結構如圖1所示。

圖1 永磁直驅風力發電系統模型Fig.1 Permanent magnet direct－drive wind power system model

1.2 風力機的數學模型

常見的風力發電機是三葉片、水平軸式的風力機，當風作用在風輪上時，風輪只能吸收風能的一部分。根據貝茨的極限理論可以得出風能最大利用系數的理論值為0.593，而實際被風力機吸收的風能被稱為風力機的機械功率，其表達式為［9］

風力機的機械轉矩表達式為

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;R為風葉的半徑，m;β為槳距角，(°);λ為葉尖速比;Vw為風速，m/s;wm為風機的轉速，rad/s;CP為風能系數，其表達式為［9］

由式(1)擬合出Cp與λ的特性曲線，如圖2所示。

圖2 風能利用系數曲線Fig.2 Wind energy utilization coefficient curve

1)當風機處于低風速下運行時(即Vin(切入風速)＜Vw＜V額定(額定風速))，通過轉速控制系統對發電機調速，保持風機能夠工作在最佳葉尖速比的狀態，此時槳距角控制為一恒定值，風能獲得最大程度的利用。

2)當風機處于高風速下運行時(即V額定(額定風速)＜Vw＜Vcut(切出風速))，通過調節槳距角降低風力機對風能的捕獲量，釋放部分風能，使風力機輸出的轉速和功率維持在額定值，確保機組高效運行。

2 發電系統的控制策略

2.1 發電機側變流器的控制策略

發電機側定子遵循發電機的慣例，取同步旋轉參考坐標系的d軸方向為定子電壓矢量的方向，q軸超前d軸90°，通過坐標變換之后得到dq坐標系下的電機定子電壓方程和機械運動方程［8］為

式中:ud1，uq1和id1，iq1為定子側的電壓和電流在dq軸上的分量;Rs為定子的電阻;Ld和Lq為定子在dq軸的電感;Ψf為永磁體的勵磁磁鏈;w1為轉子的角速度;np為永磁發電機的極對數;J為轉動慣量;Bm為轉動粘滯系數;Tm為輸入永磁機的機械轉矩;Te為永磁機輸出的電磁轉矩，其表達式為

由于永磁發電機的轉子為對稱結構，則有Ld=Lq，對式(2)簡化后得

發電機側整流器控制框圖如圖3所示。

圖3 發電機側變流器控制框圖Fig.3 Generator side converter control block diagram

內環采用電流控制，外環采用功率控制，分兩種運行方式控制。當正常運行時，根據當前的風力機轉速和槳距角，通過MPPT模塊計算出發電機發出的有功功率參考值，與電機實際發出的功率比較，然后將其差值送入PI調節器，輸出轉子有功電流的參考值Pref。當網側出現電壓跌落時，有功功率參考值Pref1由Pref和電網側實際電壓值共同決定，其表達式為

d軸控制永磁發電機的運行狀態，為了使永磁機達到最佳運行狀態，直接使參考電流=0，通過前饋補償方法進行dq軸的解耦，使d軸和q軸的控制可以獨立的進行。

2.2 電網側變流器的控制策略

網側變流器采用電壓矢量定向原理，取d軸與電網A相電壓矢量重合，q軸超前d軸90°，dq坐標系隨電網電壓向量同步旋轉，則在同步旋轉坐標系下的網側變流器數學模型為［8］

式中:ud2，uq2和id2，iq2為網側換流器輸出的交流電壓和電流在dq軸上的分量;ed，eq為電網側電壓在dq軸上的分量;L2，R為網側換流器和電網之間的電感和電阻;w2為電網的角頻率。

網側整流器控制框圖如圖4所示。網側變流器和發電機側變流器雖然結構相同，但是它們的數學模型是建立在不同的同步旋轉坐標系下的。發電機側變流器和永磁同步發電機直接相連，所以其數學模型建立在發電機轉子同步旋轉坐標系下，網側變流器與電網相連，其數學模型建立在電網電壓坐標系下。在兩相同步旋轉的dq坐標系中，使d軸與電網電壓矢量重合，即ed=us(us為電網電壓的有效值)，q軸超前d軸90°，則eq=0。內環采用電流控制，通過前饋補償的方式來消除耦合項，外環采用定直流電壓和定無功功率控制。

圖4 電網側變流器控制框圖Fig.4 Electric grid side converter control block diagram

2.3 槳距角控制的最大功率捕獲

當發電機的轉速低于額定轉速時，槳距角將保持不變;當風速高于額定風速時，發電機的轉速就會上升;當發電機的轉速高于額定轉速時，將實際轉速和額定轉速進行比較作差，經過PI控制器得到槳距角的控制信號和風機葉片的實際槳距角，將實際槳距角反饋到風力機葉輪，實現槳距角的最佳控制。槳距角控制如圖5所示。

圖5 槳距角控制框圖Fig.5 Pitch control block diagram

3 低電壓穿越的控制策略

當電網正常運行時，忽略換流器的損耗，可近似認為風機注入電網的功率Pg等于電網輸送的功率。網側出現故障時，電網電壓瞬間跌落，導致Ps瞬間減小，使風機發出的功率無法全部送出，換流器兩側功率不匹配，此時產生一個P。這部分未能輸出的電能將給直流電容充電，直接導致直流母線電壓Udc快速上升，引起流過母線電容及流入網側變流器的電流快速增大。如果不采取有效措施，過高的電壓及電流將超出直流母線電容和變流器功率器件的額定容量，導致其損壞，甚至會引起系統崩潰。

當網側電壓跌落時，引入網側電壓的信號對機側的有功參考功率重新計算，減少有功參考值的輸出，保證機側輸入功率與網側輸出功率達到動態平衡。但機械功率不能瞬間突變，此時發電機的機械轉速上升，若機械轉速不超過額定轉速，則實現低電壓穿越。當轉速超過額定轉速w0時，投入槳距角控制系統，減少風能捕獲以實現降低轉速w的目的。但由于槳距角控制實現緩慢，當發電機轉速超過最大轉速時，應切除槳距角控制系統，投入卸荷電阻，消耗不平衡有功。若將減出力和卸荷電阻協調控制，則能夠更好地實現低電壓穿越。低電壓穿越控制流程如圖6所示。

通過對比直流電容的實際電壓Udc和直流電壓的參考值Udcref的大小，當直流電壓的實際值超過額定值的1.2 p.u.時，給出卸荷電阻的觸發信號。卸荷電阻控制框圖如圖7所示。

圖6 低電壓穿越的控制流程圖Fig.6 Flow diagram of control for low voltage ride through

圖7 卸荷電阻控制框圖Fig.7 Unloading resistance control block diagram

4 系統仿真

運用仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了1.5MW直驅永磁同步風電機組的仿真模型與運行控制系統，系統主要參數如表1所示。

在仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型如圖8所示。正常運行時，風機運行在額定風速下，功率因數為1，電網側出口電壓穩定在0.69 kV。為了實現低電壓穿越，確保風機在電壓跌落故障時正常運行，在兩種電壓跌落的情況下，分析了仿真模型。

仿真算例1:當風速保持12 m/s不變時，電網側在t=1 s時發生三相對稱電壓跌落故障，如圖9a所示，故障持續時間為0.625 s，跌落深度為20%。仿真圖形如圖9所示。

可看出并網點電壓發生跌落故障后，由于機械功率不能突變(如圖9c所示)，電機轉速上升，當超過額定轉速時投入槳距角控制系統，釋放部分風能。轉子轉速未超過安全轉速，電容電壓穩定在1.2 kV，實現低電壓的穿越。

仿真算例2:當風速為12 m/s時，在t=1 s的時刻，電網發生三相對稱電壓跌落故障，跌落深度為50%，故障持續時間為0.625 s，如圖10a所示。

槳距角釋放風能響應較為緩慢，在電網電壓深度跌落時無法及時釋放風能，故采用卸荷電阻與減出力協調控制方案，實現低電壓的穿越。

在t=1 s時，發生三相對稱電壓跌落故障(如圖10b、c所示)，輸入電網的有功功率P2減少至0.75 MW，發電機減功率控制器根據電網電壓跌落深度減少發電機發出有功功率至0.75 MW。當t=1.4 s時，由圖10c、d可觀察出轉速超過安全轉速1.1 p.u.時，機側的減出力控制器退出，卸荷電阻投入，消耗不平衡有功，在減少有功控制和投入卸荷電阻協調控制的條件下，實現低電壓穿越。

表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

圖8 仿真電路圖Fig.8 Simulation circuit

圖9 電壓跌落20%系統各變量波形Fig.9 Voltage sag 20%system variables waveform

圖10 電壓跌落50%系統各變量波形Fig.10 Voltage sag 50%system variables waveform

5 結語

在低電壓穿越的控制中，將機側傳統的控制方法進行改進，采用減少機側有功功率輸出和卸荷電阻的協調控制方法，可使該系統在不同電壓跌落的情況下實現低電壓穿越，并具有很好的實用性。

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