基于电励磁直驱风电系统低电压运行特性的研究

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）

前言

近年来，能源和环境问题得到了高度重视，风电产业得到了迅猛发展。直驱风电系统发电机和风机直接相连，省去了易出现故障的齿轮箱，机械损耗小，发电效率高，得到了广泛的应用。

低电压穿越是指当电力系统中风电装机容量的比例较大时，在一定的电网电压跌落范围内，风电机组能够保持不脱网，并向电网提供一定的无功支持，直到电网电压的恢复。本文针对电励磁直驱风电系统，提出一种限制机侧变流器的有功电流分量且使网侧变流器运行于无功优先输出模式的控制策略。

1 直驱风电系统最大功率追踪

风机获得的机械功率为[1-2]：

把（2）代入（1）可得到：

ρ为空气密度，CP为功率系数，θ为桨距角，λ为叶尖速比，v为风速，R为风轮半径，ω为风机角速度，Pm为机械功率。

当风速在额定风速以下时，实行定桨距调节，此时CP仅与λ有关，在特定的叶尖速比λopt下风机捕获最大功率，此时公式（3）中k为常数，故风机最佳捕获功率和转速呈三次方的关系。图1中Popt为风机的最佳功率捕获（最佳功率输出）曲线。ν1,v2,v3,v4是一组在不同风速下风力机的输出功率特性曲线。

图1 功率曲线

实现最大功率追踪的目标是在风速变化时及时调整风机转速，改变叶尖速比，保证系统运行于最佳功率曲线上。

2 励磁控制系统

励磁控制框图如图2所示：

图2 励磁控制

当转速在额定值以下时，调节磁链和励磁电压来保持磁场的恒定，即采取定磁场控制；当转速在额定值以上时，为弱磁控制。

采用电励磁同步电机，电磁转矩公式如式（5）所示[3]。

ω代表同步机械角速度，U代表电网电压，E0代表空载电动势（励磁电动势），θ代表功率角，Xd代表直轴电抗，Xq代表交轴电抗。

电励磁电机的直轴电感一般大于交轴电感，而本文电机侧采取isd=0控制，由公式（5）可知，控制交轴电流isq可直接控制电磁转矩。

3 机侧控制策略

通过对直流侧电压的判断，采用PI控制环节，调节卸荷电路中功率器件的导通比，控制卸荷电路的通断来稳定直流电压，从而实现低电压穿越。其控制框图如图3所示。

图3 直流侧控制

本文采用的控制策略是将电网电压和电流通过前馈控制加入到有功电流内环控制中，从而限制发电机的电磁转矩，进而达到快速限制发电机的有功输出的目的。同步发电机的电磁转矩表达式为：

其中np为极对数，isq为机侧变流器的有功电流分量，ψ为磁体的磁链。可通过调节q轴有功电流isq控制发电机的电磁转矩[4]。有功电流的参考值如式（7）。

电网电压正常运行时并网电压为uN，有功电流为igdN。当电网电压跌落期间并网电压为ugrid，有功电流为igd。通过限制机侧有功电流可减少发电机的有功输出，从而减少直流过电压。控制框图如图4所示。

图4 机侧变流器控制策略框图

4 网侧无功优先输出控制策略

传统控制策略下，直流环的输出经过PI调节器得到网侧变流器的有功电流参考值，为保持网侧变流器运行于有功优先输出模式，把网侧变流器的最大值imax设定为输出限幅值。电网电压外环输出作为无功功率的参考值。

5 仿真验证及分析

仿真参数如下：

5台额定容量为2MW的风机，网侧电压为575V，直流电容为0.09F，直流电压参考值为1100V，定子电阻是0.0066Ω，极对数为1，摩擦系数为0.01。boost升压电路的电感为 0.0021H。逆变器的开关频率为3000Hz。逆变器的最大限流值为 1.1p.u.。额定风速15m/s，跌落幅度为50%，持续时间为0.5s。当直流侧加卸荷电路，网侧变压器运行于无功优先模式控制策略的仿真图如图6所示。机侧变流器运行于限流模式，网侧运行于无功优先输出模式的仿真图如图 7所示。

图5 网侧逆变器的外环控制结构图

图6 直流侧加卸荷电路的仿真图

图7 机侧变流器运行于限流模式的仿真图

由图6（a）可知，在0.5s时电网电压跌落50%，电网电压提升到 0.8p.u.左右。表明网侧变流器运行于无功优先模式。图6（b）表明在额定风速下，正常运行时，输出功率为1p.u.，电网电压跌落50%时，网侧有功输出为0.75p.u.左右。由图6（c）可知传统控制策略下，无功功率输出为零，与给定值保持一致。网侧无功优先模式下输出的无功为6MVar左右。由图6（d）可知控制策略改进后直流电压值由 3500V降低到1100V左右。表明直流侧增加卸荷电路后，迅速消耗直流侧多余的能量，从而大大降低直流过电压。由图6（e）可知直流侧增加卸荷电阻并不影响风机进行最大功率追踪。机侧变流器控制发电机的输出功率等于风机输入的机械功率，转速不变。

综上可知，直流侧增加卸荷电路可降低直流过电压，网侧变流器运行于无功优先输出，提升了故障期间的电网电压。此控制策略需增加额外硬件，同时会带来散热等问题。

由图7可知，限制发电机侧有功电流输出，同时使网侧变压器运行于无功优先模式，可达到同样良好低电压穿越的效果，且无需增加额外硬件。由图7（e）可知电网电压跌落期间，发电机的输入机械功率不变，输出的电磁功率减少，转速有所上升，捕获的风功率降低。由于风机的转动惯量很大，故波动很小，不影响风机的正常运行。

6 结论

本文提出了一种限制机侧变流器有功电流，同时网侧变压器运行于无功优先输出的控制策略，有效抑制了直流过电压，提升了电网电压。然而转速有轻微波动，输出有功功率的波形有显著波动，如何降低风机转速和有功功率输出的波动有待进一步研究。

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