直驱风电网侧换流器前馈补偿控制环节仿真研究

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（1.四川大学电气信息学院，四川成都 610065；2.四川电力科学研究院，四川成都 610072）

1 引言

近年来，全球风电快速发展，截止2011年，风电装机容量达到了199.5 GW，未来几年全球累计装机将很可能超过300 GW。风电的发展主要集中在亚洲、欧洲、和北美3个地区；亚洲作为风电发展的新型市场，具有良好的政策环境支撑，其发展速度远远超过欧洲和北美［1］。2012年6月我国并网风电达到5 258万kW跃居世界第一，并网风电容量的不断增加使其对系统的影响也越来越明显。

随着风电技术的发展，直驱风力发电逐渐成为风电发展的主要趋势。国内外大量专家对直驱风力发电系统的控制做了详细研究，尤其是针对不同情况下直驱风力发电前馈控制的研究。文献［2］将电网电流作为前馈补偿量引入网侧换流器中，以提高控制的精度和动态响应速度及减少系统对电流内环控制调节器增益的依赖。文献［3］直流电压作为前馈补偿量参与网侧换流器的控制能有效地减少换流器传输功率变化直流电压的波动。文献［4-5］在双PWM控制的直驱风力发电系统中，使用传统直流电压闭环控制和改进协调控制配合来提高风力发电机组的动态响应能力和运行稳定性。以上文献对电网电流和直流电压作为前馈补偿量以及协调控制做了详细研究；但没有考虑将馈入电网有功功率和电网电压以及发电机输出功率作为前馈补偿量对风力发电系统直流电压和馈入电网有功功率的影响，且没有分析多种前馈补偿量同时作用时对直驱风力发电系统的影响。

本文从直驱永磁风力发电机组基本控制原理以及网侧换流器前馈补偿控制两个方面来详细分析直驱风电场的基本原理和控制方式；提出发电机输出有功功率、馈入电网有功功率、电网电压前馈补偿控制以及多种前馈补偿量结合的控制方式，并通过仿真比较了这几种不同的前馈控制方法各自的优缺点。

2 直驱风力发电系统基本结构

直驱风力发电系统主要由风力机、传动轴、同步发电机、换流器和控制系统等部分组成。直驱发电机和风力机直接耦合，发出频率和电压均随着风速变化的交流电，再由换流设备经整流逆变得到符合并网要求的工频交流电。改变换流器的控制可调节输出有功和无功功率以满足电网要求［6］。

直驱风力发电系统的换流器可采用多种拓扑结构，目前主要使用的拓扑结构有2种：一种是电机侧采用二极管整流，经过直流斩波升压，网侧采用可控逆变的方式；另一种采用背靠背双IGBT换流器拓扑结构［7-8］。第一种拓扑结构因其成本低、控制方式简单，具备一定的无功调节能力，成为当前直驱风力发电机组的主流机型之一。其拓扑结构如图1所示。

图1中，idc1,idc2,Udc1,Udc2,Ps,Pg,Vgabc,egabc分别为机侧直流电流、网侧直流电流、机侧直流电压、网侧直流电压（电容电压）、发电机输出功率、馈入电网有功功率、网侧换流器出口交流电压和电网电压。

图1 直驱风力发电系统结构图Fig.1 Configuration of direct-drive wind power system

2.1 机侧控制的基本原理

由于风力发电机组换流器采用的是不可控整流+boost+可控逆变的拓扑结构，其最大风能追踪和功率的输出均由DC-DC和逆变器来控制。因此DC-DC和逆变器的控制方式就显得格外重要。

桨距角控制主要是在风速大于额定风速时调节风力发电机组的桨距角从而达到风能稳定输出的目的。此控制器用风能跟踪曲线f（Ps）保证在风电机组出力在常数C（一般为0.75）以上时保持额定转速，同时，当风速在额定风速以上时，要采用桨距角控制使风力发电机组能持续稳定的有功输出。

风力发电机组经过二极管整流后，通过控制直流斩波中IGBT的开通时间和频率，用于改变直流斩波的占空比，从而间接控制其直流传输的有功功率和发电机的电磁转矩，使其具备最大风能捕获（MPPT）的能力［9］。

2.2 网侧控制的基本原理

网侧逆变器采用PWM脉宽调制控制方式：将电气量实际值与参考值之间的偏差值作为输入，经过比例积分环节，得到调制比M和移相角δ，输入到换流阀控制层，生成相应的触发脉冲，对换流器中的IGBT阀进行控制［10］。

本文中逆变器采用的主要控制方式为定直流电压（Udc）控制和定无功功率控制；双闭环（电流内环、电压外环）的控制方式可以使得换流器输出有功和无功解耦控制［11-12］，如图2中①所示。定直流电压控制一方面可以直接控制发电机整流后的电压和电流，从而可以控制发电机的电磁转矩和输出功率；另一方面也可以间接控制网侧换流器馈入电网的有功功率，使其功率能够平滑输出［13］。

图2 网侧换流器前馈补偿控制原理图Fig.2 The control block diagram of the grid inverter of direct-drive wind power

3 前馈补偿控制方式

前馈补偿控制因子通常叠加在电气量的参考值上。将不同的补偿因子引入前馈参考量的计算中，得到所需电压外环与电流内环的参考值，从而改变调制比M和移相角δ来达到预期的控制目的。

本文所采用的前馈补偿量有发电机输出功率、馈入电网的有功功率和电网电压。

3.1 发电机输出功率前馈补偿

忽略二极管和网侧换流器的损耗时发电机发出的功率和馈入电网的有功功率分别为Ps和Pg：

由直流斩波电路的特性，忽略直流线路中直流线路功率损耗考虑换流器直流电容的影响时有功功率平衡公式为

进而可以整理为

将Ps/Vgd作为前馈补偿量，与网侧换流器电容电压比例积分调节器的输出之和作为网侧换流器电流内环控制的给定值，有利于风速变化时发电机输出功率变化对电网的影响。其基本控制结构如图2中②所示。

3.2 馈入电网有功功率前馈控制

电网电压发生波动或者电网某处发生短路故障时均会影响风力发电机组的正常运行，这主要体现在风力发电机组换流器的直流电压和其馈入电网的有功功率发生变化［14］。因此有必要将风力发电机组馈入电网的有功功率，作为网侧换流器的前馈补偿量参与逆变器的控制来维持换流器直流电压的稳定和功率的平稳输出。

式中：为额定输出功率；Pgmeans为实际馈入电网的有功功率；ΔUdc为功率发生变化时直流电压产生相应的波动。

将ΔUdc作为前馈补偿量与直流电压一起作为直流电压的参考值，其基本控制结构如图2中所示。

3.3 电网电压前馈补偿控制

电力系统中无功功率与电压有着密切的关系。当电网发生短路故障时，传输的有功功率会发生突变，故障切除时电网电压也会有较大变化。将电网电压作为前馈补偿量，可以间接影响其在故障条件下的无功输出，不仅可以抑制电网电压波动，也可以提高风力发电机组输出有功功率的稳定性。如前所述，本文采用igd与igq分别控制风电场馈入电网的有功功率和无功功率。采用电网电压前馈控制时，将电网电压的偏差经过PI控制器得到参考值igqref的补偿量Δigqref，与igqref一起构成igq的参考值，达到间接控制其有功输出和直流电压的目的，其基本控制结构图如图2中④所示。

3.4 复合前馈补偿控制

为了能使馈入电网有功功率和换流器直流电压能快速的在故障后恢复正常稳定的运行状态，有时候需要根据直驱风力发电系统不同的拓扑结构和主要控制方式，选取两个或多个前馈补偿量同时作用。本文所选取的复合前馈补偿控制如下。

1）电网电压和馈入电网有功功率前馈补偿控制。当电网发生故障电压跌落时会直接影响风力发电系统并网点电压及其馈入电网的有功功率；因此，这两种前馈补偿量同时作用时能有利于减小馈入电网有功功率和直流电压的波动以及提高其在故障后恢复的速率。

2）电网电压、馈入电网有功功率及发电机输出功率前馈补偿控制。结合这3种前馈补偿控制方式不仅有利于提高馈入电网的功率平衡，而且更能有效地提高换流器直流电压的稳定性，同时，也有利于减小电网故障时对风力发电机的影响。

4 仿真验证

本文采用Matlab/Simulink软件仿真，搭建了2 MW直驱风力发电系统，其主控制为定直流电压和定无功功率控制；在0.5 s直驱风力发电机组并网点发生三相短路故障并持续0.1 s来验证各种前馈补偿控制方式的作用和效果。

系统参数为：每台风电机组额定容量2 MW（5台并联接入电网），发电机输出交流电压730 V，网侧换流器直流电压1100 V，电容器电容值0.09 F，网侧无功设置为0，换流器出口额定交流电压575 V，额定风速15 m/s。

4.1 各前馈补偿控制单独作用

从图3和图4中可以明显看出，单独采用发电机输出功率、馈入电网有功功率和电网电压作为前馈补偿量控制时，不仅能使风力发电机组在三相短路故障条件下有功功率能够快速地恢复稳定条件；同时，还能在一定程度上提高网侧换流器直流电压的稳定性。

图3 前馈补偿控制时馈入电网有功功率Fig.3 The active power of feed-forward control

图4 前馈补偿控制时换流器直流电压Fig.4 The DC voltage of using feed-forward control

当系统发生三相短路故障，采用发电机输出功率前馈控制时，尽管可以在一定程度上使其更快地恢复稳定运行状态；同时，也会使其故障后直流电压和馈入电网有功功率偏差过大，对设备的要求更高。采用馈入电网有功功率前馈补偿控制时，能有效地减小直流电压和有功功率的波动；采用电网电压前馈补偿控制时，能最快地使其恢复稳定运行。其中采用电网电压前馈补偿控制是这3种前馈补偿控制中最优的前馈补偿控制，不仅能快速地恢复有功功率和直流电压，直流电压最大值的减小还能减小直驱风力发电系统对换流器直流电容要求。

4.2 复合前馈补偿控制

将馈入电网的有功功率、电网电压参与直驱风力发电机组的控制，馈入电网的有功功率、电网电压及发电机输出功率参与直驱风力发电机组的控制时所得到的馈入电网有功功率和换流器直流电压分别如图5和图6所示。

图5 复合补偿控制时馈入电网有功功率Fig.5 The active power of using composite feed-forward compensation control

图6 复合前馈补偿控制时换流器直流电压Fig.6 DC voltage of using composite feedforward compensation control

图5表示风力发电机组在并网点发生三相短路时换流器馈入电网有功功率变化曲线，由图5中各曲线可以看出，采用有功功率前馈补偿控制与电网电压前馈补偿结合控制时，能在一定程度上提高网侧换流器直流电流恢复正常运行的速度。由于这两种控制分别通过igd和igq达到控制目的，因此，这两种前馈补偿控制均起作用时，能有效地体现这两种控制单独作用时的效果。仿真验证了采用这样的前馈补偿控制时，达到了理想的控制目标。

当本文所选取的3种前馈补偿控制同时作用时，不管是采用馈入电网有功功率，还是发电机输出功率作为前馈补偿量，都将通过igd来实现；尽管发电机前馈补偿控制的引入能更快地使有功输出恢复稳定，同时，也增大了故障后的有功功率最大值，使得直驱风力发电系统对直流电容和换流器的要求有所增加。

图6表示当风力发电机组并网点发生三相短路故障时直流电压变化曲线。与图4仿真曲线对比可以看出，当输出有功功率和电网电压均起作用时，比这两种前馈控制单独作用时不仅使有功功率稳定输出更加快速，还可以避免当故障切除后馈入电网的有功功率小于其额定值。由于电网电压前馈补偿控制的牵制作用，当这3种前馈补偿控制同时作用时，直流电压不仅能更快地恢复稳定，还可以防止直流电压过大而降低对直流电容的要求，同时也能减小直流电压的波动。

5 结论

不同的前馈补偿因子反映直驱风电系统不同的性能指标，前馈补偿因子可以采用发电机侧、直流侧和电网侧某些电气量；在实际运用中可以根据不同的控制目标和不同的电网特性选择不同的前馈补偿因子。当然，选择什么样的前馈补偿量需要根据实际工程需要和控制目标来选取，另外，还应注意避免冗余控制。本文通过仿真分析表明：

1）有功功率、电网电压、发电机输出功率前馈补偿控制单独作用时，均能在一定程度上提高风力发电系统馈入电网有功功率，并维持风力发电系统换流器直流电压的稳定性；

2）采用两种或多种前馈补偿控制同时作用时，部分组合能综合各自前馈控制单独作用时的效果；例如，本文所选取的3种前馈补偿控制方式同时作用时，能达到理想的控制目的，减小了对设备的要求。

风电作为新能源的重要组成部分，将在未来电网中承担非常重要的角色。风力发电机组可以选择类似于本文所研究的前馈补偿控制来进行无功和电压调整。

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