永磁风电系统低电压穿越控制策略研究

郑荣美，朱 凌

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

0 引言

随着全球能源短缺和环境恶化，各国逐渐认识到发展可再生能源的重要性，风力发电得到了迅速发展。永磁直驱风电系统省去了故障率高的齿轮箱，具有机械损耗小、发电效率高、成本低、低电压穿越能力强等优点，具有不错的发展前景。

电网电压跌落会对风电系统的直流侧电容器和电力电子器件造成不利影响。新的入网规则规定，风电机组在并网点发生电压跌落的时候，风机应保持不脱网，并向电网提供一定的无功支持，以加快电网电压的恢复，这就是低电压穿越。

本文针对Boost 升压型永磁直驱风电系统，在电网电压跌落期间，通过把网侧的功率信号引入发电机侧，作为发电机输出功率参考值，减少了直流两侧的功率不平衡，防止了直流过电压。根据电网的跌落深度以及国网公司对并网技术要求，迅速向电网输出无功，以提升电网电压，从而实现低电压穿越。

1 低电压特性分析

本文采用“不可控整流+ Boost 升压+ PWM逆变型”永磁直驱风电系统，拓扑结构如图1。

图1 永磁直驱风电系统拓扑结构Fig．1 PMSG system

当电网电压发生三相对称性跌落故障时，升压斩波电路的作用是保持永磁直驱同步发电机(PMSG)正常运行，实现最大功率追踪，然而逆变器侧的容量有限，注入电网的功率会瞬时减小。Boost 斩波环节的电容器两侧的功率不平衡。如下式:

式中:Pgen为发电机输出的有功功率;ω 为电容器的储存的能量;u 为直流母线的电压;ΔP 为直流两侧的功率差。由公式(3)可知，电容器两侧的功率差会导致直流电容的电压迅速上升，可能会超过其承受能力。传统的控制策略是在直流环节增加卸荷电阻来消耗掉ΔP。然而当跌落的时间较长时，卸荷电阻的热量难以耗散，需增加额外的冷却设备。本文提出的控制策略无需增加任何专门元件，提高了经济性。

2 Boost 升压环节的控制

发电机发出交流电，经过不控整流器和Boost升压环节，由逆变器并入电网。当风速低于额定风速时，发电机输出的功率在额定功率以下，通过控制发电机的电磁转矩，改变风机的转速，实现最大功率追踪［1］。Boost 升压环节的数学表达式如下:

当可控开关导通时，α =1;当开关关断时，α=0。

在最大功率-转速曲线给定情况下，可根据所测得的转速计算出最大功率参考值。由于电枢电流和发电机的电磁转矩成正比，故可令电磁转矩作为电枢电流的参考值，与电枢电流的测量值的偏差经过PI 控制器，再与三角波比较产生脉冲来控制升压斩波器中可控开关的通断［2，3］。

当电网电压跌落后，由于风速和转速输入量没有发生变化，此时发电机机侧仍可以保持最大功率输出，可以通过减少发电机的输出功率来限制机侧直流侧电压的上升。当电网电压跌落时，把发电机输出功率的参考值切换到网侧变流器的输出量。跌落消失后，切换回最大功率追踪状态［4］。控制框图如图2 所示。电压跌落检测模块fcn 函数如下:

其中，u 为电压输入端口;u1 为最大功率追踪输入功率;u2 为网侧功率测量值输入端口。

图2 Boost 升压控制电路框图Fig．2 Boost control diagram

3 网侧变流器的控制策略

网侧变流器在dq 同步旋转坐标系下的数学模型如下:

把电网电压矢量定向于d 轴，可知eq为零。于是得到:

式中:P 为逆变器输送到电网的有功功率;Q 为逆变器输送到电网的无功功率。通过分别控制有功和无功电流，即可实现对网侧有功和无功的独立控制。实现了有功和无功的解耦［5］。若令iq为零，即可实现单位功率因数并网。

当电网电压跌落时，若保持单位功率因数并网，对电网的低电压运行会很不利。因此，提出一种网侧运行于无功优先模式下的控制策略，如图3 所示。

国家标准要求MW 级以上的风电场群，每个风电场在低电压穿越的过程中应注入电力系统的动态无功电流为

图3 网侧逆变器的外环控制结构图Fig．3 Block diagram of grid-side inverter controller

电网电压正常时，网侧保持有功输出最大化，无功输出为零。当电网电压发生跌落到0.9 以下时，根据公式(8)可得到网侧无功电流的参考值。

直流电压环的输出作为有功电流的参考值。由于网侧变流器的容量是有限的，故有功电流的限幅值如下式:

若有功参考电流小于限幅值，表明网侧变流器能对直流侧电压进行调节，否则表明调节器已达饱和［6，7］。

有功电流环和无功电流环的fcn 函数模块小程序如下:

其中，u1 为直流电压环经过PI 的值;u1 为有功电流的限幅值。

其中，u1 =1.5 × (0.9 －Us) ×1

u 为电网电压测量值;u1 为电网规定的无功电流指令;u2 为电网电压环无功电流的输出值。

4 仿真验证

基于MATLAB/Simulink 仿真平台，搭建了改进的Boost 升压型永磁直驱风电系统。具体仿真参数为:额定风速为11 m/s，风电系统容量为50 ×2 MW。额定电压是690 V，额定频率为50 Hz，发电机极对数为38，定子电阻Rs=0.006 6 Ω，直轴电抗Ld=0.001 4 H，交轴电抗Lq=0.002 4 H，直流电压为1 200 V，网侧限流值为1.1 p. u．。网侧电压的跌落50%，持续时间0.2 s。本仿真系统由50 台风电机组组成的风电场，整个系统的仿真如图4 所示，仿真结果如图5 所示。

图4 风电场仿真图Fig．4 Simulink diagram of wind farm

由图5 (a)可知当电网电压跌落50%时，网侧电压迅速上升到0.65 p．u．，表明网侧变流器输出了无功功率，提升了电网电压。

由图5 (b)可知在正常运行状态下，风电机组输出的无功功率约为0;当电网电压跌落50%时，输出的40 Mvar 的无功功率，表明网侧变流器运行在无功优先模式。

由图5 (c)可知在正常运行状态下，风电机组输出全部的有功功率;当电网电压跌落50%时，输出的有功功率为70 MW。

图5 (d)表明控制策略改进后，在电网电压跌路通过把网侧的功率信号引入机侧，减小了电网电压跌落期间的直流两侧的功率差，大大降低了直流侧电压。

图5 (e)表明在正常运行状态下，风机的输入机械功率等于输出电磁功率，故转速恒定。当电网电压跌落时，通过改进机侧变流器控制策略，限制了发电机的输出功率。此时风机的输入和输出功率不平衡，导致转速增加，由于风机的转动惯量很大，故转速增加不多。

5 结论

本文提出一种新的适合于永磁直驱风电系统的低电压穿越控制方案。通过限制发电机的输出功率来限制直流侧的过电压，并且使网侧变流器运行于无功优先输出模式，提升跌落期间的电网电压，增强了风电系统低电压穿越的性能。该控制方案无需任何多余的硬件保护装置。本文仅仅针对电网电压三相对称跌落故障，对于不对称跌落故障有待进一步研究。

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