永磁直驱风电机组变流器加强型直流稳压研究

陈晓雷，施晓蓉，杨跃龙

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101;2.湘电风能有限公司，湘潭 411101)



永磁直驱风电机组变流器加强型直流稳压研究

陈晓雷1,2，施晓蓉1，杨跃龙1

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101;2.湘电风能有限公司，湘潭 411101)

目前针对电网故障的研究，主要集中在对称故障方面，研究的是不对称故障中的小值电网电压不平衡时风电机组的故障穿越技术.在传统电网电压定向的电压、电流双闭环控制基础上，应用变流器网侧和机侧功率平衡控制原理，将永磁同步发电机输出有功功率Ps变化的信息引入d轴控制回路，从而实现电网侧变流器输入至电网的有功功率能够及时跟踪永磁同步发电机输出有功功率的变化，从而解决了变流器输入输出的有功不平衡问题，避免了直流母线电压的波动.

不对称故障；功率平衡；网侧变流器；波动

0 引 言

据全球风能理事会统计，截止2012年12月底，全球风电新增装机容量已达45 GW，全球总计风电装机容量为282.5 GW，我国新增风电机组7872台，全国累计风电装机容量达7532.4万千瓦[1].永磁直驱风电机组由于设备可靠性高、利用率高和故障率低等特点而成为风电机组发展的主要方向之一，其采用的是全功率变流器，实现了同步发电机和电网的解耦，可以降低电网故障对风电机组带来的损坏，同时具有良好的低电压穿越能力.但是全功率变流器在电网出现不对称故障或不对称负载时，会引起电网电压正序分量下降和电网电压负序分量的出现，造成变流器直流母线的“有功不平衡”和直流母线电压的二倍频波动，给风电机组带来安全隐患，还会导致馈入电网电能的谐波分量大大增加[2][3][4].为了降低直流母线电压的波动，传统的方法就是增大变流器的直流侧电容值[9]，但是这种方法会影响直流母线电压的动态性能，增加变流器的整体成本，因此需要寻求一种成本更低和控制效果更好的直流稳压控制的方法[4].

本文提出一种加强型直流母线稳压控制策略，该控制策略基于正负序电压分别定向原理，采用正负序双 电流控制方法；同时将并网电抗器产生的功率波动也考虑在内，将其作为功率波动量来修正控制算法中的电流参考值.最后在基于MATLAB/Simulink软件构建的永磁直驱风电机组模型上对提出的控制策略进行仿真验证.

1 电网电压不平衡时网侧变流器的运行分析

在不平衡电网电压条件下，本文所提出的网侧变流器的电流控制其基本方法是将不对称系统分解成正负序对称分量，在进行各自的d、q轴解耦控制，即所谓的正负序双dq电流控制[5].

1.1 网侧变流器运行不平衡分析

永磁直驱风电机组的全功率变流器的网侧变流器等效电路图如图1所示.针对电网不对称故障，我们采用对称向量分解法，将电网系统分解为三组对称的正序、负序和零序三相系统进行分析.由于永磁直驱风电机组变流器与电网的连接采用的是三相三线制，所以零序电压的作用可以暂不考虑，则在dp轴旋转坐标系内，电网不平衡电动势Es可表示为：

ES=(Edp+jEqp)ejwt+(EdN+jEqN)e-jwt

式中第一项是沿逆时针方向旋转的电网电动势的正序分量，第二项是沿顺时针方向旋转的电网电动势的负序分量[6].

图1 网侧PWM变流器等效电路图

那么在不平衡电网电压条件下，网侧变流器在正负序旋转d、q轴坐标系下的数学模型为：

(1)

式中：Igdp、Igqp为正序交流侧电流d、q轴分量；IgdN、IgqN为负序交流侧电流d、q轴分量；R、L为并网电抗器的电阻和电感；Ugdp、Ugqp、UgdN、UgqN分别为正序和负序网侧变流器端口电压的d、q轴分量；Edp、Eqp、EdN、EqN分别为正序和负序电网电压的d、q轴分量.

1.2 不平衡电网电压条件下的常规控制

当电网出现不平衡的电网电压故障时，永磁直驱风电机组变流器输送到电网的功率为：

S=(Edqpejwt+EdqNe-jwt)(Idqpejwt+IdqNe-jwt)

(2)

式中右边第一项为电网不平衡电动势Es，第二项为馈入电网的交流侧电流矢量.那么可知，变流器馈入电网的电能有功功率P和无功功率Q分别为：

(3)

其中，P0和Q0分别是网侧变流器输出到电网电能的有功功率直流分量和无功功率直流分量，PC2、PS2分别是网侧变流器输出到电网电能的二次谐波有功功率的正余弦分量，QC2、QS2分别是网侧变流器输出到电网电能的二次谐波无功功率的正余弦分量[6].

(4)

对变流器应用基尔霍夫电流定律可得：

(5)

其中PS是同步发电机传入到机侧变流器的有功功率瞬时值，PC是网侧变流器端口输出的有功功率瞬时值，Udc是直流母线电压，C是直流母线电容.

传统控制限于技术不成熟等原因，在实际计算中不计并网电抗器对输出功率的影响，令PC=P，则将(3)式带入(5)式可得：

(6)

由(6)式可知，若要保持直流侧电容电压Udc稳定无二倍频波动，则可通过控制(4)式中的电流分量IgdP、IgdN、IgqP和IgqN，保证P0=PS，Pc2=0，Ps2=0而使Udc稳定无二倍频波动.

(7)

再加上系统运行在单位功率因数，Q0为0，则有Q0*=Pc2*=Ps2*=0，将其带入(7)式，可得正、负序电流指令值为：

(8)

其中D=[(EdP)2+(Eqp)2]-[(EdN)2+(EqN)2].

1.3 并网电抗器对功率特性的影响简单分析

永磁直驱风电机组采用的是全功率变流器，其开关频率一般较低，网侧的并网电抗器的电感值比较大，并网电抗器上的功率波动将对输出功率造成较大影响.在常规的双电流环控制中，为了确保网侧变流器输出有功功率无二倍频波动，并网电抗器上的功率波动常常通过直流侧的功率波动来抵消，但这样会导致直流母线电容电压产生一定的二倍频波动，使直流母线电容承受一定的应力.

而当变流器工作于不平衡电网电压状态时，并网电抗器吸收的有功功率中含有二倍频波动，那么在传统控制下，网侧变流器输入到电网的有功功率无二倍频波动与直流母线电压的恒定无法同时实现.所以在保持输出无二倍频波动的同时，我们要控制直流侧电容所承受的应力，加强在电网电压不平衡时的直流稳压控制能力[2][7].

2 变流器加强型直流稳压控制策略

2.1 变流器网侧和机侧功率平衡控制

当出现电网电压不平衡时，永磁直驱同步发电机的工作状态会因电网电压的变化而发生突变，引起机侧变流器的输出瞬时功率发生突变，从而导致直流母线电压波动.为了减轻机侧输出功率瞬变对直流母线电压波动的影响，我们将机侧和网侧变流器的控制总体考虑，将机侧输出有功功率引入网侧变流器的控制中，网侧变流器输出功率可随机侧有功功率的变化而调整，避免引起直流母线两端的“有功不平衡”问题，从而减轻直流母线电压的波动[2][4].

将式(5)变形可知：

(9)

则可得：

(10)

式中，Usd和Usq为d、q轴定子电压，Isd和Isq为d、q轴定子电流.那么在旋转坐标系下，将(UsdIsd+UsqIsq)/Udc作为反馈信息，引入电流环的前馈输入中，与直流侧电容电流Ic一起作为网侧电流正序分量的给定值Igdp，其控制回路图如图4所示.

2.2 负序电流控制要求

在保证网侧变流器输出到电网的有功功率不受二倍频谐波影响下，要实现变流器直流母线的稳压控制，需要解决的问题就是消除网侧变流器端口输出的二倍频的有功功率谐波分量，则：

(11)

其中Pc2和Ps2为网侧变流器馈入电网的二倍频有功功率的谐波分量，ΔPc2和ΔPs2为并网电抗器吸收的有功功率的余弦、正弦分量. 由参考文献[5]可知：

(12)

将(4)和(12)式代入(11)式，忽略负序电流的q轴分量，化简可知：

(13)

由(13)式可得负序电流指令值为：

(14)

这种控制算法简单，避免了复杂高阶矩阵的相关运算，其中正序电流的d轴分量由变流器的电压外环给定，正序电流的q轴分量由平均无功功率计算得出.

2.3 电量正负序分离及锁相环

电网电压不平衡时，由于负序分量的产生，直接将电压电流分量进行Park变换，会引起dq坐标系下的电压电流分量含有2倍频分量.本文利用T/4延时法在αβ两相静止坐标系下分离出电压电流的正负序分量，然后利用SPLL锁相环得到的相角将电压电流信号从αβ坐标系变换到dq坐标系[10].以电网电压为例，可得：

(15)

而且：

(16)

(17)

式中：T表示电网周期，T(θp)和T(θn)分别表示正负序αβ坐标系到正负序dq坐标系的变换矩阵；而θp和θn通过锁相环(SPLL)得到，锁频环原理图如图2所示.

图2 正负序电压锁相(SPLL)原理图

图3 电网不平衡时网侧电流控制框图

3 仿真验证

为验证不平衡电网条件下永磁直驱风电机组变流器加强型直流稳压控制策略的有效性，本文用matlab/simulink构建一台2 MW永磁直驱风电机组仿真系统，系统参数如表1所示.

表1 变流器系统仿真参数表

在仿真模型中，变流器网侧和机侧输出功率达到额定功率，并稳定运行在额定功率时，通过模拟电网电压小值不平衡，来验证该控制策略的可行性.从0.3 s时开始变流器输出功率稳定在额定值，假定在0.5 s时电网连接点发生一相接地故障，产生小值不平衡电网电压，待100 ms后再恢复正常电网电压状态，那么在传统控制策略下，仿真结果如图4所示，直流母线电压Udc出现一定的2倍频谐波振动，而且馈入电网的有功功率P在不平衡电网电压条件下也有较大的二倍频谐波.

图4 电网电压不平衡时传统控制模型仿真结果

加强型直流稳压控制策略下的仿真结果如图5所示，由于实现了网侧变流器输出端口的有功功率不含二倍频谐波分量，从而保证了变流器馈入到电网的有功功率不受二倍频谐波影响和直流母线电压的稳压控制.

但是如图6所示，该控制策略在有效控制“有功不平衡”和直流母线电压波动问题的同时，也带来了馈入电网的电流不平衡增加，所以该领域仍有改进空间.

图6 电网故障时不同控制策略的并网电流局部放大图

4 总 结

针对永磁直驱风电机组并网运行中可能出现电网电压不平衡的问题，本文提出了不同以往的加强型直流母线电压控制策略.这种控制策略考虑了并网电抗器对变流器输出的功率影响，控制算法简单，通过对变流器机侧和网侧的功率平衡控制和并网电抗器的控制，实现变流器直流母线的稳压控制，对改善永磁直驱风电机组输出电能质量和在电网不平衡故障下的安全稳定运行具有积极作用.通过仿真验证了该控制方案的正确性和可行性.

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Study on Better Full-power Converter's DC Regulator of Wind Power Generation System

CHEN Xiao-lei, SHI Xiao-rong，YANG Yue-long

(College of Elect.and Information,Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

Now the research of wind turbine on the grid pauct mainly focuses on symmetrical fault. This essay mainly studies the wind turbine failure through technology in the small values of the grid voltage. On the basis of traditional grid voltage about directional voltage and current double closed loop,we use a new control strategy that is based on the principle of power balance. It puts the output active power changing information into d-axis control loop which is produced by the permanent magnet synchronous generator. Then it can let grid side converter into active grid with tracking the permanent magnet synchronous generator output active power changes. Accordingly it solves the converter input and output active imbalances and avoids the fluctuations in the DC bus voltage.

asymmetrical fault; power balance; grid side converter; fluctuation

2014-10-25

湖南省科技计划项目(2012GK3080)；湖南省科技计划重点项目(2013XK4013)；湘潭市科技计划重点项目(ZD20141002，CG20131001).

陈晓雷(1987-), 男，硕士研究生，研究方向:大功率风电变流器的控制策略.

TM614

A

1671-119X(2015)01-0010-06