直驅型風力發電機低電壓穿越協調控制仿真研究

張子皿，朱學勤

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，簡稱LVRT）是指當電網發生電壓跌落故障時，在一定范圍內，風機必須不脫離電網，并且要向電網提供無功功率支持，以幫助電網恢復正常工作，并在故障切除后發電機組能夠迅速恢復正常運行。針對直驅型風電機組，其變流系統直流側電壓在電網故障時期的穩定控制策略是實現低電壓穿越的核心技術。

1 電網電壓跌落影響

直驅型風力發電系統的功率回路主要由風力機、發電機、電機側變流器、直流側電容、電網側變流器構成。當發生電網電壓跌落故障時，電網側變流器為了保持向電網輸出功率不變，輸出電流將增大，當電流達到器件限流值時，輸出功率受到限制，此時若發電機保持正常運行，電機側變流器保持其控制不變，則直流側輸入功率將大于輸出功率，過剩的能量將對直流側電容進行充電,如不采取措施，電容電壓就會快速升高，進而危及運行安全，甚至造成變流器損壞。因此，直流電壓是反映變流系統工作正常與否的主要標準，直流電壓的穩定控制是實現電網電壓跌落時風力發電機組不脫網運行的關鍵所在。

2 直流側電壓協調控制原理

傳統的雙閉環電網電壓定向矢量控制對直流電壓的控制是通過電壓外環，當直流電壓上升時，利用外環的直流電壓調節器改變d軸電流給定值，進而控制直流電壓。但是這樣存在兩個問題：①當電網電壓大幅度跌落時，電網側變流器電流達到限流值后，直流電壓外環飽和，電網側變流器對直流電壓失去控制；②對電網側變流器控制系統而言，直流側電容相當于一個大慣性環節，直流電壓調節環節只有在直流電壓出現變化時才能改變d軸電流給定值，這就造成電網側變流器輸入瞬時功率變化緩慢，不能立即跟隨電機側變流器的瞬時功率變化，造成直流電壓波動。因此，在電網故障過程中采用傳統的雙閉環控制方法將很難減小電壓跌落時直流電壓的波動。

文中從功率平衡的角度提出了雙PWM協調控制直流電壓，對電機的輸出功率和電網側變流器輸出功率進行了有效控制，維持了直流電壓的穩定，實現了風力發電機組的低電壓穿越運行。

2.1 基于電網電壓信息的電機側輸出功率控制

在電網電壓跌落時，要保證直流側輸入、輸出功率動態平衡，應該限制發電機輸送到直流側的功率。要實現限制發電機的輸出功率一般是通過改變槳距角，減小風力機捕獲的風能，進而減小發電機輸出功率，但是變槳距控制系統的響應時間通常在秒級，這樣對于毫秒級的電網電壓跌落故障而言，這么短的時間采用變槳距調節就很難有效地限制發電機輸出功率。由電機側變流器雙閉環矢量控制中的電流內環調節時間可達到毫秒級，因此可將電網電壓跌落信息通過前饋控制的方式加入到電流內環設計中，首先通過限制發電機電磁轉矩，進而達到快速限制發電機輸出功率的目的，然后再配合變槳距系統調節上升的風力機轉速，使之完成低電壓穿越運行。

定義電網側變流器正常工作時并網電壓為UN，當發生電網電壓跌落故障后電網側變流器并網電壓為U，則電網電壓跌落幅度為KN=U/UN。可以按照電網電壓跌落幅度來限制發電機輸出的瞬時功率，如式（1）：

具體控制原理，發電機輸出功率與發電機電磁轉矩、發電機轉速的關系如式（2）：

對于發電機轉速而言，當發生電網電壓跌落時，通過控制限制發電機輸出的瞬時功率，使輸出功率也相應地下降一定的比例，這時風力機捕獲的過剩的風能，將轉變為發電機轉子的動能，設電網故障持續ts，那么過剩的能量轉化為轉子的動能為：

式中：Pe為正常情況時發電機輸出功率；為電網故障時發電機輸出功率；ω1為正常情況時風力機轉速；ω2為電網故障時風力機轉速；t為電網故障持續時間；J為風力機和發電機轉子總轉動慣量。

式（3）可化為：

假設一臺2.5 MW風力發電機組在額定風速下運行，發電機輸出額定功率時，發生電網故障，電網電壓跌落到0%，并持續300 ms。在此功率等級的風力機轉速ω1一般為20～30 r/min，風力機和發電機轉子總轉動慣量J為16 000 kg·m2。根據式（4）計算得到，此時發電機轉速僅比正常時額定轉速增加了1%～2%。通過分析，可知過剩的能量使風力機轉速增加程度很低，當發生電網電壓跌落故障的瞬間，可以認為風力機轉速幾乎沒有變化。而且對于一般的風力發電機組來說，在很短的時間內風機轉速超過額定轉速1%～2%是完全可以承受的。

2.2 基于機側輸出功率的電網側直接功率控制

對于電網側變流器的控制，直接功率控制比電網電壓定向矢量控制具有更優異的動態響應能力，而且直接對功率進行控制，控制目標明確，因此電網側變流器控制策略采用直接功率控制。

正常情況下，電網側電流器采用電壓外環，功率內環的雙閉環控制，電壓外環用來保證直流側電壓穩定；功率內環實現有功功率、無功功率的解耦控制，及時將功率并入電網。在電網電壓跌落時，為了保證直流側功率平衡，電網側變流器直接根據電機側變流器的功率信息對有功功率和無功功率進行控制。

在實際控制中，當檢測到電網電壓大幅跌落時，電網側電壓外環控制信號切換為電機側變流器輸出功率，并根據電網電壓跌落幅度和電網相關信息進行有功和無功功率的重新分配，向電網提供無功支持。當電網電壓恢復正常后，電網側切換回電壓外環，功率內環控制。

3 基于Matlab/Simulink的仿真驗證

為了驗證直驅型風力發電系統變流控制策略的正確性，用Matlab/Simulink建立完整的使用背靠背雙PWM變流器的直驅永磁風力發電系統模型。電機側變流器根據不同的風速調節發電機的轉速，使風力發電機運行在最大效率下，并將發電機發出的功率送到直流電容，電網側變流器則完成功率因數控制，及時將功率并入電網，其中電機側變流器和電網側變流器的控制和運行都是相對獨立的。電機側變流器采用基于電網電壓信息的矢量控制，電網側變流器采用基于機側輸出功率的改進直接功率控制，如圖1。

圖1 雙PWM變流器的直驅永磁風力發電系統模型

根據GB/T 19963.1-2021《風電場接入電力系統技術規定》對電壓跌落并持續時間625 ms以上情況進行仿真試驗，在0.2 s時電網電壓跌落至80%，采用傳統控制策略，中間直流側電壓波動如圖2。

圖2 傳統控制策略直流電壓曲線

采用協調控制，中間直流側電壓波動如圖3。

圖3 協調控制直流電壓曲線

當電網電壓跌落至20%并持續625 ms以上時，中間直流電壓如圖4、圖5。

圖4 傳統控制策略直流電壓曲線

圖5 協調控制直流電壓曲線

發電機定子d、q軸電流變化曲線、電磁轉矩變化曲線、電網側變流器輸出電流變化曲線如圖6～圖9。

圖6 發電機定子d軸電流變化曲線

圖7 發電機定子q軸電流變化曲線

圖8 發電機電磁轉矩變化曲線

圖9 電網側變流器輸出電流變化曲線

4 結論

通過仿真結果可以看出，當電網電壓正常時，電機側變流器對永磁同步發電機的電磁轉矩，電機轉速具有良好的控制性能；電網側變流器輸出并網電流正弦化，直流電壓穩定。當電網電壓發生對稱故障時，可以看出采用基于電網電壓信息電機側輸出功率控制和基于機側輸出功率的電網側直接功率控制比傳統電機、電網側雙矢量控制的直流電壓控制效果更好，可以有效地抑制電網電壓跌落引起的直流側電壓不穩定問題，保證了直驅型風力發電系統并網運行的安全性和可靠性，提高了系統的低電壓穿越能力。

直流母線電壓的穩定是兩個變流器正常工作的前提，本文針對電網三相電壓對稱跌落期間傳統的雙閉環控制策略無法保證直流電壓穩定在恒定值進行了改進，提出了直流電壓協調控制策略，通過對電機側變流器和電網側電流器協調控制，實現了電網電壓跌落期間直流電壓的穩定控制，提高了直驅型風力發電系統低壓穿越裕度。在電網電壓跌落的持續時間較短時，采用該控制策略可以完成低電壓穿越運行，如果電網電壓跌落時間持續較長，那么在風力機轉速增加到一定程度，就需要配合變槳距控制系統等限制風力機捕獲的風能。