基于模式切换的永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略

钟诚，魏来，严干贵

(东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市 132012)

基于模式切换的永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略

钟诚，魏来，严干贵

(东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市 132012)

随着风电机组安装容量的不断上升，风电系统在电网故障情况下的稳定运行尤为重要，电网导则要求风电机组在电网电压瞬间跌落一定范围内不脱网运行，具备低电压穿越能力(low-voltage ride-through，LVRT)。对于永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)机组，快速控制直流电容电压是实现低电压穿越的关键。文章采用一种基于模式切换的PMSG机组低电压穿越控制策略，该策略在电网电压正常和故障时进行控制模式切换，选择网侧变流器或机侧变流器来控制直流电容电压。另外，为加快直流母线控制速度，提出了一种改进前馈方法，加快了控制速度，降低了直流母线电压的峰值。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

永磁同步风力发电机(PMSG)；低电压穿越(LVRT)；模式切换控制；改进前馈

0 引 言

对于永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)机组而言，实现低电压穿越(low-voltage ride-through，LVRT)的关键是如何快速平衡电网电压跌落期间失配能量，防止直流电容电压越限[1-3]。目前，针对该问题的方法大致可分2类：(1)增加辅助硬件，如增加crowbar电路[4]、直流侧储能[5]或者网侧无功补偿[6]等外加设备，该类方法的缺点是增加了投资成本；(2)通过修改风电机组控制策略，利用风轮机自身惯性来存储失配能量，这类方法无须增加额外的硬件，得到了广泛研究。

文献[7-8]依据并网点电压跌落深度减小机侧有功功率，来防止直流电容电压越限，其缺点是当电网电压深度跌落时，网侧变流器和机侧变流器可能同时工作在电流控制模式，失去对直流电容电压控制。文献[9-10]提出采用网侧变流器控制机侧转速，机侧变流器控制直流电容电压的控制策略。文献[11]提出一种模式切换控制策略，当电网电压正常时，网侧变流器控制直流电容电压，机侧变流器控制机侧转速；而电网电压跌落时，切换为网侧变流器控制并网功率，机侧变流器控制直流母线电压模式。

另一方面，加快直流电压控制速度也有助于提高PMSG机组LVRT能力，文献[12-13]将机侧有功功率作为网侧变流器电流控制内环的前馈，但受内环控制器带宽限制，无法实现单位前馈[2]。故文献[3]提出在机侧功率前馈通道中增加前馈补偿函数，改善补偿效果，但是文献[3]同时指出电流内环控制器为比例积分(proportional integral，PI)时，补偿函数将较为复杂，而且难以实现。文献[14]采用基于机侧功率预测的前馈控制，但前馈量计算较复杂。

本文在基于文献[11]的模式切换控制结构上，提出一种基于改进的前馈控制策略，绕开电流内环控制器，避免内环控制器带宽的影响。仿真对比验证本文控制策略的有效性。

1 系统模型

PMSG系统结构如图1所示。PMSG系统包含风轮机、永磁同步发电机、机侧变流器、直流链电容、网侧变流器、并网电感、理想电网。

图1 PMSG系统框图

图1中：usa、usb、usc、isa、isb、isc分别为PMSG定子侧的三相电压和电流；idc,s和idc,g分别为机侧直流电流和网侧直流电流；ic和udc分别为直流电容电流和电压；uga、ugb、ugc分别为网侧变流器三相输出电压；ega、egb、egc、iga、igb、igc分别为电网侧三相电压和电流。

在机侧转子磁链定向旋转dq坐标系下，忽略定子电阻，永磁同步发电机的定子电流数学方程[2]为：

(1)

(2)

式中：Ls为等效同步电抗；ωs为转子角频率；usd、usq、isd、isq分别为机侧定子电压和定子电流的d轴和q轴分量；esq为发电机内电势。

电网电压矢量定向旋转坐标系下，网侧电流的数学方程为：

(3)

(4)

式中：Lg为网侧电感；ωg为电网角频率；igd、igq分别为电网侧电流的d轴和q轴分量；egd、egq分别为电网侧电压的d轴和q轴分量；ugd、ugq分别为电网侧输出电压的d轴和q轴分量。

当同步旋转坐标系与电网a相电压对齐时，egq=0，则并网有功瞬时功率Pg的计算公式为

(5)

机侧有功功率Ps的计算公式为

(6)

依据基尔霍夫节点电流定律，则ic=idc,s-idc,g。另外，忽略变流器损耗，则idc,s=Ps/udc，idc,g=Pg/udc。因此，

(7)

(8)

(9)

直流电容电流ic的大小取决于机侧和网侧有功功率差值。快速控制机侧和网侧有功功率的平衡，可以减小直流母线电压的波动。

2 改进前馈控制方法

为了避免控制内环电流控制器带宽对前馈补偿的影响，本文基本思路是将前馈点从电流内环输入节点(a)点[3,12-13]后移到输出节点(b)点，如图2所示。

图2 改进前馈控制框图

将机侧直流侧电流idc,s依然作为扰动量，假定前馈补偿函数为F(s)，则从节点(d)到节点(c)的传递函数为

(10)

为实现单位反馈，即D(s)=1，则易知F(s)为

(11)

(12)

(13)

式(13)中包含微分项disq/dt，如果采用数值微分方法实现，较为复杂[13]。注意到式(2)中包含disq/dt项，将式(2)代入式(13)，得

(14)

3 PMSG低电压穿越控制策略

本文提出的PMSG低电压穿越控制策略如图3所示。

图3中，风机侧采用基于磁场定向下的dq解耦控制，而电网侧采用基于电压矢量定向下的dq解耦控制策略。控制策略分成2种模式：(1)电网电压的正常状态；(2)电网电压跌落状态。

依据第2节所述，为了加快直流电容电压控制速度，正常电网电压模式下，将式(14)作为前馈叠加在网侧变流器内环d轴电流控制器的输出端。

相似的，在故障电网电压模式下，将式(15)叠加在机侧变流器内环q轴电流控制器的输出端。

(15)

当电网电压跌落时，直流电容电压始终存在闭环控制，通过减小机侧有功电流isq，来避免直流电容电压越限。

图3 PMSG低电压穿越控制策略框图

需要指出，本文提出的模式切换只是外环之间的切换，而内环控制始终维持不变，这意味着当控制模式切换时，只是内环参考值发生变化，即等价于内环参考值出现突变。而并网逆变器电流内环控制器的稳定性已有相关文献进行分析[15]。

4 仿真研究

为了验证本文方法的有效性，搭建了仿真模型，模型参数如表1所示。

考虑风速突变和电网深度跌落2种情况进行分析，同时为了对比，同时采用本文的改进前馈方法和传统有功功率前馈方法进行仿真。

4.1 风速变化仿真分析

表1 PMSG系统参数

Table 1 Parameters of PMSG system

对比图4(a)和图4(b)可以看出，采用改进前馈控制后，网侧有功电流能够更加快速地跟踪机侧有功电流，传统前馈方法的直流母线电压最大峰值为 1 300 V，而改进前馈方法最大峰值仅为 1 218 V，直流母线电压峰值明显减少。

图4 风速扰动时PMSG系统仿真波形

但需注意到，由于式(13)中存在微分项，相比于图4(a)，图4(b)中的直流电压和网侧电流都存在更为明显的脉动分量。

4.2 电网深度电压跌落

设计并网点电压在1 s时，跌落为0.2 pu，并持续600 ms。

依据我国2011年颁布的《风电场接入电网技术规定》[16]，电压跌落期间，并网点电压每跌落1%须向电网提供2%额定电流数值的无功电流[16]，如式(16)所示。

(16)

式中：IN为变流器额定电流；UT为并网点额定电压。

当电网电压跌落为0.2 pu时，网侧变流器需要向电网提供1 pu的无功电流。而通常变流器短时电流上限为1.1 pu[17]，易知，此情景下网侧变流器有功电流上限为0.458 pu，仿真波形如图5所示。

由图5可知，在1 s电压跌落时，受电压跌落的影响，网侧逆变器进行模型切换，网侧输出给定有功和无功电流，机侧变流器控制直流母线电压。图5(a)中，受PI控制器带宽的影响，直流母线电压udc峰值为 1 340 V。1.6 s时电压恢复，udc峰值达到1 350 V，已经威胁机组的安全运行。图5(b)中，电网电压跌落时刻的udc峰值为1 230 V，而恢复期间的最大电压峰值为1 250 V。得益于改进前馈方法，系统能够更快地控制直流电容电压，减小暂态峰值。

在电压跌落期间，由于减小了机侧的电磁转矩，转子转速持续上升。当电网恢复后，系统重新恢复转速控制，受直流母线电压波动影响，图5(a)转速需要经过0.6 s才重新跟踪参考值，而图5(b)只需0.45 s。

另外注意到，1 s电压跌落瞬间，网侧电流存在约1.1 pu的瞬时尖峰。这是由于受控制器单位延迟的影响，网侧逆变器输出电压为前一个控制周期的值，而并网点电压突变到0.2 pu，并网电感两端出现较大的电压差。

图5 电压跌落时PMSG系统仿真波形

5 结 论

(1)采用模式切换实现PMSG机组在电网电压深度跌落下的直流电容闭环电压控制，在此基础上提出改进的前馈补偿方法，加快直流电容电压控制速度。

(2)本文方法在风速突变和电压深度跌落时，减小直流电压的暂态峰值，提高了PMSG风电机组低电压穿越能力。

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(编辑 景贺峰)

Low Voltage Ride-through Control Strategy for PMSG Based on Control Mode Switch

ZHONG Cheng, WEI Lai,YAN Gangui

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

With the increase of installed capacity of wind farm, the operation stability of wind power system during grid disturbances becomes important. Grid codes require that wind power system stays connected to the grid during voltage dips for a certain period, with the ability of low-voltage ride-through (LVRT). For permanent magnet synchronous generator (PMSG), the key to improve the ability of LVRT is that fast control DC-Link voltage when grid-voltage dips. This paper proposes a LVRT control strategy for PMSG unit based on control mode switch. The strategy changes the control mode between in normal and fault of grid-voltage, and adopts the grid-side converter or generator-side converter to control the DC-Link voltage respectively. In addition, this paper proposes an improved feed-forward method to speed up the DC bus control, which can accelerate the speed control and reduce the peak value of the DC bus voltage. The simulation results validate the effectiveness of the proposed strategy.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); low-voltage ride-through (LVRT); mode switch control; improved feed-forward

国家自然科学基金项目(51277024)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0068-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.009

2016-08-26

钟诚(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向为新能源柔性并网技术、电力电子化电网稳定分析与控制；

魏来(1992)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源并网安全运行与稳定控制；

严干贵(1971)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为大规模新能源并网技术、风电柔性消纳技术。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51277024)