直驱永磁风力发电机组低电压穿越控制研究

熊魁，郭雅丽，周峰

（1.中国电力科学研究院，湖北武汉 430074；2.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206）

直驱永磁风力发电机组低电压穿越控制研究

熊魁1，郭雅丽2，周峰1

（1.中国电力科学研究院，湖北武汉 430074；2.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206）

为了提高永磁直驱同步风电机组（PMSG）并入电网的运行稳定性，研究了3种低电压穿越技术，提出了结合增大网侧输出有功、投切Crowbar电路和调节电磁转矩的控制方案。同时设计了风电机组新的机侧变流器和网侧变流器的低电压穿越控制策略，利用能量平衡原理对故障后转速表达式进行了推导。在Matlab/Simulink平台电压跌落情况下对直驱风电机组进行一系列的仿真，仿真结果与理论分析一致，验证了该控制方案能优化系统低电压穿越的性能。

直驱永磁同步风电机组；低电压穿越；Crowbar电路；控制策略；能量平衡

1 引言

近年来随着风能大规模开发和快速商业化发展的趋势，风电机组的低电压穿越能力对电网的安全稳定运行起到越来越重要的影响［1-3］。各国相继对并网的风电机组故障穿越能力提出了新的要求，并制定了相关标准，我国最近提出风电并网标准也规定风电机组必须具备低电压穿越能力［4-6］。

目前，已有相关文献对直驱永磁同步风电机组（PMSG）的低电压穿越控制策略进行了研究。文献［7-10］提出类似于DFIG，在全功率变流器直流环节安装Crowbar电路、储能装置、辅助变流器等硬件设备消纳多余的能量。但是通过增置硬件电路会大大提高变流系统的成本和体积。文献［11-12］提出通过减小发电机电磁转矩，限制发电机的输出功率。然而机组容易超速甚至导致整个系统震荡失稳。有文献［13-14］提出当转速过大时，通过运行风力机桨距控制器对捕获的风能加以限制。但变桨控制响应时间长，而且变桨过程不利于系统在故障消除后快速恢复正常工况。

本文在理论推导以及对几种LVRT方案的仿真进行详细分析的基础上，综合已有的方法提出了一种结合增大网侧变流器输出有功、调节机侧变流器电磁转矩和直流环节投切Crowbar电路的协调控制方案，并研究了新的控制策略投入Crowbar电阻值与机组转速变化的关系。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了该方案可以在严重电网故障时提升PMSG风电机组LVRT性能的结论。

2 PMSG矢量控制的数学模型

PMSG全功率变流器传统策略通过机侧变流器对直驱永磁同步发电机电磁转矩进行控制，网侧变流器用以保持直流环节电压稳定和输出有功、无功功率的调节，电网电压跌落瞬间，机组的LRVT控制策略通过投入Crowbar电路消除不平衡功率。图1为PMSG机侧和网侧变流器控制框图。

图1 PMSG机侧和网侧变流器控制框图Fig.1 Control block diagram of generator-side converter and grid-side converter for PMSM

2.1 机侧变流器的运行控制策略

通过Park变换把静止三相坐标下数学模型转换为适合矢量控制的PMSG暂态模型，采用发电机惯例，d轴定向于转子磁链，考虑到Ld≈Lq，若令isd=0。则有电压方程：

式中：Usd，Usq，isd，isq为d，q轴定子电压、电流；Ld，Lq为d，q轴定子绕组自感；Rs为定子电阻；ωe为转子电角速度；p为极对数；Ψf为转子气隙磁链。

忽略摩擦损耗，风电机组转矩平衡方程：

式中：J为发电机和风力机总转动惯量；Tw为风力机输出机械转矩；ω为风力机转速。

因此通过控制定子d轴电流分量isd，实现对PMSG机组转速和功率控制。

2.2 网侧变流器的运行控制策略

网侧变流器采用电网电压定向，忽略电磁暂态分量，其与电网交换的有功功率和无功功率方程：

式中：Pg，Qg为网侧有功、无功功率；Ud，Uq，Id，Iq为d，q轴电网电压、电流。

通过控制网侧d，q轴电流分量，实现对输入电网的有功、无功进行解耦控制。

3 PMSG低电压穿越的控制原理

3.1 常见的LVRT控制原理

我国关于低电压穿越的国家标准要求风电机组在并网点电压跌落幅度最大达到80%情况下保持风电机组不脱网运行625 ms。当电网发生短路故障时，网侧变流器需要保持直流电压稳定，这会使网侧变流器输出电流值相应增加。但是为了避免大幅电压跌落时电流超过变流器限值而烧毁，需对网侧变流器输出电流做出以下限制［15］：

式中：Idq-max为网侧变流器安全电流限值。

因此在较大幅度电压跌落时，网侧变流器增大输出到电网有功功率有限，无法保证直流环节功率平衡，将导致直流电压急剧上升而影响机组的稳定运行。如果采用更大容量网侧变流器则明显提高成本，造成冗余浪费。这时PMSG机组一般用Crowbar电路来吸收多余的能量，这部分能量以纯热量的形式消耗，Crowbar电路如图2所示［16-17］。

图2 Crowbar电路控制框图Fig.2 Control block diagram of crowbar circuit

投入Crowbar电路所补偿的不平衡功率与其电阻值成反比，用公式表示为

式中：Udc为直流电容电压；R为Crowbar电阻值；d为Crowbar电路功率器件的导通占空比。

对于MW级PMSG机组，若发生严重电网电压跌落故障，Crowbar电路将承受很大的瞬间冲击电流，过流在电阻上产生大量的热，按照不同的标准，能坚持的时间要根据电压跌落值来确定。实际上，若能在故障发生时迅速减小永磁电机转矩电流来限制发电机的输出电磁转矩和功率，把直流环节上的不平衡功率转化为风力机机械功率Pw和发电机输出电磁功率Ps的差值，使得风电机组转速上升，即把多余的能量以动能的形式存储于风轮之中。

单独调节电磁转矩进行低电压穿越控制，忽略传动系统的损耗，可以根据电压跌落深度限制发电机输出电磁功率，即：

式中：K为风电机组电磁功率的参数，K=P/ω31，P为风电机组视在功率；a为电压跌落的深度系数，0

惯性时间常数一般由下式计算：

在电压跌落过程中风力机吸收的多余能量将转换为转子动能并促使转子加速，而转子获得的动能增量可表示为

联立式（7）~式（9），可得故障后机组转速为

式中：t为故障持续的时间；ω1，ω2为故障前后机组的转速；J为包含风力机和发电机的总转动惯量，其大小由H决定，H为发电机组的总惯性时间常数，H=Hw+Hg，Hw为风力机惯性时间常数，典型取值范围为3.0~6.0 s，Hg为发电机转子惯性时间常数，典型取值范围为0.4~0.8 s［18］。

代入上式可知，单独采用调节电磁转矩的方式实现LVRT控制，风电机组转速增加可达7%~14%。因此对于长时间严重故障，转速急速增加会使传动系统应力超出额定的机械载荷，而且转速波动过大可能会导致系统失稳，需要考虑限制其转速的飞升。

3.2 改进的LVRT控制原理

综合考虑增大网侧输出功率、投切Crowbar电路及调节电磁转矩控制的特点，结合3种方案可以优化LVRT控制过程，其原理推导如下：

式中：k为网侧变流器补偿有功功率的系数；ΔP为总的不平衡功率；ΔPw为风轮吸收的不平衡功率。

网侧变流器在严重故障时输出的有功功率一般都会达到其限值，因此k可当作常数。考虑电压跌落大于80%情况下，根据式（13）可以得出以下几点：

1）当电网跌落深度a保持不变时，投入的Crowbar电阻值越小，故障后转速ω2越小；

2）当电网跌落深度a保持不变时，投入的Crowbar电阻值越小，转速ω上升速度越慢；

3）当Crowbar电路不投入时，即R=∞，电网跌落深度a越大，故障后转速ω2越大。

当电网电压跌落时，不平衡功率主要由机组增加的旋转机械功率、网侧变流器增大的输出有功功率和投入Crowbar电路的热功率承担。式（13）表示在一定电压跌落深度和跌落时间下机组转速变化和Crowbar电阻阻值之间的关系。为使直流侧环节电压稳定，需要依据上述原理提出机组新的LVRT协调控制策略。

4 PMSG新的LVRT协调控制策略

4.1 新的网侧变流器LVRT控制策略

图3为网侧变流器新的LVRT控制框图。在电网电压跌落时，可以采用网侧变流器有功电流给定值跟踪电网电压跌落的参数进行前馈控制的方法。当电网电压发生跌落时，为了维持系统的功率平衡，使得：式中：Ps为永磁发电机输出有功功率；egd为同步旋转坐标系下电网电压的d轴分量；Usd，Usq，Isd，Isq分别为d，q轴定子电压、电流分量。

图3 网侧变流器LVRT控制框图Fig.3 LVRT Control block diagram of grid-side converter

当电压跌落时，网侧变流器有功电流给定值根据电压跌落的程度迅速增大，同时在控制回路加入限流环节以保护网侧变流器。该控制能缓解系统功率不平衡，使得直流电压趋于稳定，有利于故障后机组恢复正常。

4.2 新的机侧变流器LVRT控制策略

基于机侧变流器调节电磁转矩的控制策略如图4所示。当电网电压跌落时，对于机侧变流器，让发电机输出功率跟踪网侧变流器输出电网的有功功率，即把Ps与Pg比较得到的差值ΔP送入PI控制器得到定子d轴电流的给定值，之后定子电流实际值isq跟踪给定值变化，使得电磁转矩Te减少，风力机吸收的风能以动能的形式存储在风轮上，而导致转速ω上升。这时不是对转速ω进行控制使之维持最大功率点跟踪，而是对风轮输出的功率进行限制，同样也维持了直流电压的稳定。

图4 机侧变流器LVRT控制框图Fig.4 LVRT control block diagram of generator-side converter

新控制策略的直流环节Crowbar电路控制与3.1节所述控制策略类似，如图2所示。

5 仿真分析

5.1 传统LVRT控制策略性能分析

为了在不同LVRT控制策略下对系统动态特性进行分析，本文在Matlab/Simulink仿真环境下建立PMSG风力发电系统的仿真模型。仿真参数如下：PMSG额定功率为1.5 MW，定子额定电压690 V，额定频率50 Hz，风轮叶片半径42 m，发电机极对数32，风速恒定为12 m/s，并网点电压跌落80%，持续时间300 ms，为了提高仿真效率，机组惯性时间常数设置略小。

投入Crowbar电阻和增大网侧变流器有功输出来补偿全部不平衡功率的LVRT仿真如图5所示。电网电压在1 s发生跌落，网侧变流器为了维持输出功率不变而使输出电流Ia增大，电流迅速达到限流值，网侧变流器失去了对直流电压Udc的控制。当直流电压继续上升超出允许值时，投入阻值为R0的Crowbar电路，接着直流电压略有上升之后一直保持稳定直至故障结束。由于发电机和电网不直接耦合，虽然直流环节电压产生了一定波动后才稳定，机侧变流器还是保持可控并以正常方式运行，发电机转速ω和电磁转矩Te几乎不受影响。

图5 采用Crowbar电路和增大网侧有功输出的仿真结果Fig.5 Simulation results in crowbar circuit control and increase grid-side power output strategy

调节电磁转矩和增大网侧变流器有功输出的LVRT控制仿真如图6所示，模型的电网电压在1 s发生跌落，直流环节两侧因为功率差值导致电压Udc上升，网侧输出电流Ig迅速增大达到限制，直流环节电压继续上升超出允许值，启动调节电磁转矩Te控制。此时电磁转矩瞬间大幅减小，转速则快速上升，直流电压因两侧功率再次达到平衡而稳定下来。可以观察到在故障过程中，转速ω与电磁转矩波动均较大，其中转速增加到了1.1（标幺值）。

图6 调节电磁转矩和增大网侧有功输出的仿真结果Fig.6 Simulation results in electromagnetic torque regulation and increase grid-side power output strategy

5.2 提出的LVRT控制策略性能分析

减小电磁转矩、投入电阻值为2R0的Crowbar电路并增大网侧输出有功的仿真过程如图7所示。电压跌落时，网侧输出电流Ig立即进行补偿。当直流电压Udc继续上升超出允许值时，通过投入Crowbar电路并同时减小电磁转矩Te补偿剩下的不平衡功率，这样直流电压稳定在额定值附近不变。由于电磁转矩减小，机组转速ω增加到1.05（标幺值）直至电压恢复。虽然投入Crowbar电阻只消耗了部分不平衡功率，但该策略达到了较好的控制效果，而转速变化也限制在理想的范围内。

图7 新控制策略的仿真结果Fig.7 Simulation results in new strategy

5.3 新控制策略下投入Crowbar电阻值R和机

组转速ω的关系

为了进一步验证在新的策略下投入Crowbar电阻值R大小对机组转速ω的影响。忽略网侧变流器的功率补偿，电压跌落时间625 ms，其他仿真条件与之前相同。

现分别取R1=R0（即Crowbar吸收100%多余能量），R2=10/9R0（Crowbar吸收90%多余能量）R3=2R0（Crowbar吸收50%多余能量），R4=4R0（Crowbar吸收25%多余能量）进行仿真，得到相应的发电转速ω的变化如图8所示。由图8可以观察出：电阻值R越大，电网故障过程中任一时刻对应发电机转速ω越大；同样增大R值，转速ω上升的速度也越快；而故障后的转速ω2随着阻值R的减小，可以得到很好的控制。该仿真结果与3.2节分析一致，由此验证了所推导公式的正确性。同时上述分析可以在应对不同程度的电网故障下制定更加细化的LVRT协调控制策略提供理论支持。

图8 LVRT策略下Crowbar电阻对转速的影响Fig.8 Relation between crowbar resistance and turbine speed in the LVRT strategy

6 结论

本文在Matlab/Simulink中建立了直驱永磁同步发电机组低电压穿越控制模型，分析了几种重要的低电压穿越控制方案，在理论推导的基础上提出了增大网侧输出有功功率、投切Crowbar电路和调节电磁转矩相结合的PMSG风电机组LVRT协调控制方案，使直流电压得到了有效的控制，并提高了机组运行的稳定性。对本文的研究表明：

1）对于严重的电网故障，单独的应用Crowbar电路、增大网侧输出有功功率或者调节电磁转矩任一种控制策略都会产生像过流或超速等问题，并对机组的稳定运行也有较大的影响；

2）采用Crowbar电路吸收部分不平衡功率，并同时调节电磁转矩和增大网侧输出有功功率的控制策略，充分利用了PMSG的特性，优化控制性能，把不利扰动降至最低。为了合理选择Crowbar电路电阻值及其投切时间以达到更好LVRT控制效果，需要综合考虑故障跌落深度、时间及PMSG机组转速等因素。

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修改稿日期：2015-01-18

Low Voltage Ride Through Control Research on Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generator Wind Turbines

XIONG Kui1，GUO Ya-li2，ZHOU Feng1
（1.China Electric Power Research Institute，Wuhan430074，Hubei，China；2.School of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing102206，China）

To improve the stability of power grid with permanent magnet direct-driven wind turbines，three LVRT control techniques of permanent magnet direct-drive wind generation system were investigated，proposed a control strategy which included increasing grid-side power output，using crowbar circuits and regulating electromagnetic torque.The LVRT control strategy of grid-side converter and generator-side converter was designed.According to power flow balance principle，the expression of generator speed when fault is cleared was deduced.The simulation of PMSG was carried out by Matlab/Simulink platform under voltage drop.The simulation results are consistent with theoretical analysis，which demonstrate the strategy can obtain better LVRT performance.

direct-driven permanent magnet synchronous generator（PMSG）wind turbines；low voltage ride through；crowbar circuits；control strategy；power flow balance

TM76

A

熊魁（1988-），男，硕士，助理工程师，Email：8089369@qq.com

2014-10-13