基于九开关变换器的直驱-双馈分散式风电系统控制策略

薛 宇，任永峰，胡志帅，何晋伟，方琛智，祝 荣

（1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古自治区呼和浩特市 010051；2. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市 300072）

0 引言

随着中国“十四五”时期“碳达峰、碳中和”目标的提出，以清洁能源为重要电源的“电能替代”技术将成为实现低碳发展的重要途径之一。考虑到集中式风电大多位于电网末端、远离负荷中心、输电成本过高等因素，就近接入负荷中心电网，实现就地消纳、投资建设灵活的分散式风电将成为风电发展的另一个重要方向，具有重要的工程实用价值［1-3］。由于分散式风电多元化投资、非同期建设等原因，存在双馈感应发电机（doubly-fed induction generator，DFIG）与直驱永磁同步发电机（permanent magnet synchronous generator，PMSG）并列运行的场景。同时，分散式风电项目典型应用于城市周边中低风速地区，直驱型较双馈型机组对低风速、低转速场景有更好的适应性和更高的发电效率［4］，可与双馈机型形成优势互补，因此研究直驱-双馈风电机组并列运行有实际意义。分散式风电接入点靠近负荷，电压等级较低，短路容量较小，电网支撑薄弱。大容量旋转设备的启停、非线性负载的使用，甚至电网故障等因素将导致电网电压升高、跌落、不平衡、谐波等电能质量问题。在分散式风电场景中，更高的风电穿透功率对风电机组的故障电压穿越能力提出了更高的要求。

DFIG 机组低电压穿越（low voltage ridethrough，LVRT）方案普遍采用转子侧Crowbar 电路和励磁变频器直流侧Chopper 电路组合的方式实现硬件支撑［5］。在电网电压严重跌落工况下，Crowbar电路使得DFIG 运行特性向鼠笼异步机转换，增大无功消耗，不利于电网电压恢复。文献［6-7］指出在电网电压不对称、谐波工况下，由于DFIG 机组定子直接并网，将使电磁转矩出现振荡，交变载荷将影响机械结构寿命。PMSG 机组全功率变频器容量较大，电网电压跌落工况下可通过变换器直流母线卸荷电路消耗暂态差额功率，网侧变换器可增加无功输出，辅助电网电压恢复。文献［8］提出了PMSG机组的上述LVRT 方案，但在弱电网条件下有功、无功控制存在较大偏差。

在改善风电机组故障电压穿越的拓扑结构研究中，文献［9］提出了采用动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）实现DFIG 机组LVRT 的方案，通过串联电压补偿方式维持机端电压稳定。文献［10］将DVR 推广应用于现代工业园区的电压暂降综合治理。文献［11］提出在DVR 直流侧设置储能装置的方案，由于只能在电网电压跌落期间进行储能，应用场景受限。文献［12］将统一电能质量调节器（unified power quality conditioner，UPQC）应用于风电系统柔性故障穿越，其典型结构为DVR 和有源滤波器（active power filter，APF）以背靠背变换器形式组合，该拓扑结构可通过APF 维持DVR 直流侧电压，对电网电压升高、跌落工况具有普遍适用性，电压补偿的同时实现有源滤波、无功补偿等电流补偿功能。文献［13］将12 个开关元件的背靠背变换器精简为9 个开关元件，对背靠背变换器的演化应用进行了研究。文献［14］将九开关型UPQC 应用在DFIG 机组LVRT 场景中，通过串补电压、并补电流的方式提升DFIG 机组的故障电压穿越能力，研究内容侧重UPQC 的功能，对九开关变换器特性研究有限。

相比背靠背变换器，九开关变换器减少了3 个开关元件，驱动、保护电路相应精简，开关损耗和变换器体积随之降低［15-17］。文献［18-19］分别以九开关变换器作为DFIG 机组和PMSG 机组的背靠背变换器进行研究，其控制策略与传统控制策略一致，未对提升故障电压穿越能力进行探索。文献［20-22］分别对九开关变换器取代双馈机组电机网侧变换器、实现统一电能质量控制器以及用作励磁变频器进行了深入研究，以上研究扩展了九开关变换器的应用场景，但针对九开关变换器自身直流侧电压高的问题未提供详细解决方案。文献［23］研究了适用于九开关变换器的空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法，适用于旋转设备励磁控制，相比正弦脉宽调制（SPWM）方法，该调制方法可提高直流侧电压利用率。文献［24］介绍了一种九开关变换器可变调制比分配方法，利用桥臂2 个中点不同的输出电压需求，设置2 种工作模式，并配置不同调制比，该方法实现了调制比可变，但简单的模式设置限制了通过优化调制比配置来提高直流侧电压利用率的效果。

本文在“串补电压”思路的基础上，提出采用九开关变换器优化直驱-双馈分散式风电在电网电压跌落、不对称、谐波等工况下穿越运行性能的方案，并通过三次谐波注入、调制比优化分配策略提高九开关变换器直流侧电压利用率。仿真结果表明，九开关变换器可有效消除非理想电网电压对风电机组的影响，提高直驱-双馈并列运行分散式风电机组的故障电压穿越能力。

1 基于九开关变换器的直驱-双馈分散式风电系统

九开关变换器是背靠背变换器的一种演化结构，每相桥臂有3 个开关元件，桥臂2 个中点各输出一路功率脉冲。本文针对分散式直驱-双馈混合风电系统在不同电网电压工况下的运行特性问题，设计以九开关变换器为换流元件的UPQC 系统，通过串联电压补偿、并联电流补偿的方式实现机端电压补偿和并网电流补偿，其拓扑结构如图1 所示。

图1 九开关型UPQC 与直驱-双馈混合风电系统拓扑Fig.1 Topology of nine-switch UPQC and direct drive-doubly fed hybrid wind power system

在九开关变换器UPQC 与直驱-双馈混合风电系统中，DFIG 的定子和网侧变换器与PMSG 的网侧变换器并联。在风电机组与升压变压器之间接入九开关型UPQC。变换器桥臂上侧中点输出补偿电压，经LC 滤波电路后，由注入变压器实现补偿电压与电网电压叠加，旁路开关在电网电压正常时可将注入变压器短接，停用电压补偿功能。变换器桥臂下侧中点输出补偿电流，经滤波电抗器并入风电机组网侧变换器输出线路。

当电网电压为非理想工况时，往往包含正序过压、正序欠压、负序和谐波的一种或几种类型组合。此时补偿电压UDVR为正序电压偏差量ΔU1abc、负序电压U-1abc和谐波电压Unabc之和的负值。补偿电流IAPF包括有功补偿分量ΔIP、无功补偿分量ΔIQ和谐波补偿分量Inabc的负值。在电压补偿和电流补偿同时工作时，通过调节有功补偿分量可将电压补偿产生的差额有功功率送入电网，实现九开关变换器直流侧电压稳定。在负载电流出现谐波的情况下，通过输出谐波电流的负值，实现谐波消除。整体控制策略如附录A 图A1 所示。九开关型UPQC 补偿电压和补偿电流的控制是实现优化分散式混合风电系统运行的关键。补偿电压和补偿电流分别为：

2 九开关变换器控制策略

九开关变换器属于电压源型变换器，补偿电压和补偿电流的控制均需要以电压参考信号进行调制。设置九开关变换器每相桥臂上侧中点为上通道，输出补偿电压，其调制信号为Ura；每相桥臂下侧中点为下通道，输出补偿电流，其调制信号为Urx。将Ura向正电压方向偏置，Urx向负电压方向偏置，保证Ura＞Urx［25］。此时按照SPWM 方法，可得每相桥臂上、下中点的逻辑状态，进而计算得到桥臂中每只开关元件的驱动逻辑电平。九开关变换器SPWM方法如附录A 图A2 所示。

按照上述调制方法，上通道输出补偿线电压基波幅值Uabm、下通道输出电流补偿的最大基波线电压幅值Uxym分别为：

为使九开关型UPQC 电压补偿侧能输出足够的电压，电流补偿侧能有效控制无功潮流，九开关变换器上下通道都需要一定的电压输出能力，因此，九开关型UPQC 直流侧电压往往较高。为降低九开关变换器直流侧电压，可从调制方法、系统控制策略两个层面对其在直驱-双馈混合分散式风电系统的应用进行研究。

2.1 三次谐波注入调制提高电压利用率

将三次谐波注入嵌入控制策略中dq 坐标反变换过程，依据当前dq 轴电压值Ud、Uq计算幅值Um和相位角θc。通过实时相位角和幅值计算得到的三次谐波量，可实现在基波幅值相位变化时注入的三次谐波最优。调制方式如附录A 图A3 所示。

按照九开关变换器直流侧电压为1.8 kV 设计，三次谐波注入技术可使九开关变换器两通道输出线电压有效值之和为 1.8 kV/(0.866 × 2 )=1.47 kV，能同时满足电压补偿和电流补偿的直流电压需求。

2.2 控制策略优化

九开关变换器拓扑结构决定其调制信号Ura＞Urx。为满足上述约束，对上下通道调制信号直流偏置后进行限幅，即限制对应通道最大调制比。

变换器电压补偿侧输出电压随电网电压偏离额定值程度增加而增大，变换器电流补偿侧为控制无功双向流动，输出电压在电网电压附近调整。

从风电系统故障穿越运行的角度，电压补偿的重要性高于电流补偿的重要性。因此，在电压跌落工况下优先保证电压补偿的调制比分配，在电网电压正常工况下为电流补偿分配较大调制比范围，依据二者的差异化分配原则，设计了调制比限幅随电网电压变化的动态分配方法，避免同时以二者最大需求配置直流侧电压。

电网电压正常时，上通道关闭，分配调制比限幅ma=0.2、mx=0.8，为电流补偿侧提供足够的输出电压。此时九开关变换器实现电流补偿功能，包括无功补偿、谐波电流补偿等功能。当电压偏差Udev在-20%～20%之间时，保持上述调制比；当Udev在20%～40%之间时，随着电压偏差程度的加深，通过增加ma、降低mx为电压补偿侧提供与跌落情况匹配的输出电压，此时，九开关变换器电压补偿、电流补偿功能同时启用；当Udev超过40%时，关闭下通道，分配调制比限幅ma=1、mx=0，此时，九开关变换器起电压补偿作用，支撑分散式风电机组故常电压穿越。调制比限幅函数为：

调制比mx、ma随Udev的变换关系如图2 所示，其中ma=1-mx。电压跌落工况下，电压补偿吸收有功。当-20%≤Udev＜40% 时，电压补偿有功功率通过电流补偿送入电网，系统整体有功无损耗；当40%≤Udev时，启动卸荷电路，电压补偿有功通过卸荷电路消耗，防止九开关变换器和输电线路过流。为验证三次谐波注入调制方式及调制比动态分配的仿真结果如图3 所示。图中：Ur，abc为初始调制信号；U3，abc为对应的三次谐波；Ut和U3t分别为其中一相的初始调制信号和三次谐波调制信号，t=A，B，C。

图2 调制比优化分配Fig.2 Optimal allocation of modulation ratio

图3 三次谐波注入调制波形Fig.3 Waveform of the third harmonic injection modulation

3 仿真分析

为验证所提出的应用九开关变换器优化直驱-双馈分散式风电故障电压穿越能力的可行性，设定电网电压轻度跌落、重度跌落故障和电网电压谐波3 种典型工况进行仿真验证。设定PMSG 和DFIG额定功率均为2 MW，风电机组背靠背变换器直流侧电压为1.2 kV，九开关变换器直流侧电压为1.8 kV。

3.1 电压跌落工况混合风电系统运行特性仿真

模拟电网电压发生轻度不对称跌落工况，设计了在0.4～0.6 s 期间箱式变压器35 kV 侧电网电压发生A、B 相间不对称跌落30%，混合风电系统的相关电气量变化仿真结果如附录A 图A4 所示。直驱-双馈机端并联点电压Ug，abc在0.4 s 时开始出现不对称跌落，机端并联点电流Ig，abc的幅值增大且出现波动，DFIG 转子电流Ir，abc在故障期间波形发生严重畸变且幅值增大，影响转子变频器使用寿命，直驱-双馈风电机组联合发出的有功功率及无功功率由于电网不对称故障而产生二倍频波动，PMSG 直流侧电压和DFIG 直流侧电压幅值增大且出现二倍频波动。

为研究电网电压发生轻度对称故障工况时对直驱-双馈混合风电系统电气量变化的影响，设计在0.4～0.6 s 期间箱式变压器35 kV 侧三相电压轻度对称跌落至70%。直驱-双馈混合风电系统的相关电气量变化仿真结果如附录A 图A5 所示。机端并联点电压Ug，abc在0.4～0.6 s 期间发生轻度对称跌落，机端并联点电流Ig，abc在故障期间幅值增大且在故障开始和结束时波动剧烈，DFIG 转子电流Ir，abc在故障期间幅值增大，同样在故障开始和结束时出现剧烈波动，直驱-双馈联合发出的有功功率PG及无功功率QG在故障发生和切除时波动剧烈，DFIG 的直流侧电压和PMSG 的直流侧电压Udc2在故障期间出现过电压，若不采取措施，可造成直流母线电容击穿。

3.2 电压轻度对称跌落工况仿真

为验证在电网电压轻度不对称跌落工况下九开关型UPQC 直驱-双馈混合风电系统故障穿越能力的提高，设计在0.4～0.6 s 内箱式变压器35 kV 侧电网三相电压分别出现轻度不对称跌落。其中A 相电压跌落至75%，B 相电压跌落至90%，C 相电压跌落至85%，在0.8～1.0 s 内模拟B、C 相间短路故障造成公共连接点（PCC）电压不对称跌落30%，在0.2～0.4 s 内混合风电系统正常工作，与之后的电网电压故障工况状态形成对比，仿真结果如图4所示。

图4 九开关型UPQC 对轻度不对称跌落补偿结果Fig.4 Compensation results of nine-switch UPQC with mild unsymmetrical sag

由图4 可知，在0.4～0.6 s 内和0.8～1.0 s 内并网点电压Upcc，abc不对称。九开关型UPQC 通过注入补偿电压UDVR，abc，机端电压Ug，abc与机端电流Ig，abc保持在正常状态，为标准正弦波形。通过控制IAPF，abc维持九开关变换器直流侧电压Udc3稳定。在电压跌落期间，PCC 的电流Ipcc，abc的幅值增大。

DFIG 转子电流Ir，abc、直驱-双馈机组联合有功功率PG和无功功率QG、并网点有功功率Pgrid和无功功率Qgrid基本保持稳定，其中PG为4 MW，QG保持为0，Pgrid为4 MW，Qgrid基本为0。DFIG 直流侧电压Udc1、PMSG 直流侧电压Udc2由于电压不对称故障而发生二倍频波动，九开关直流侧电压Udc3在故障期间出现最高20 V 的过电压，同时出现二倍频振荡。九开关型UPQC 可以改善直驱-双馈混合风电系统实现轻度不对称故障穿越运行能力。

3.3 电压严重不对称跌落工况仿真

为验证九开关型UPQC 对于电压严重不对称故障工况的有效性，设计电网电压在0.4～0.7 s 内发生B、C 相间跌落80%的故障工况，九开关型UPQC和卸荷电路联合运行，系统仿真结果如图5 所示。

由图5 可知，由于电压严重跌落，在0.4 s 时卸荷电路投入运行，APF 退出运行，故障期间IAPF，abc为0，九开关型UPQC 只做DVR 运行。机端并联点电压Ug，abc、机端并联点电流Ig，abc、PCC 电流Ipcc，abc维持正常运行状态，DFIG 转子电流Ir，abc在故障开始及结束时出现轻微波动。直驱-双馈联合有功功率PG保持为4 MW，无功功率QG基本为0，只在故障发生和切除时略微波动；卸荷电路的投入使得并网点有功功率Pgrid下降至2.6 MW，卸荷电路有功功率PCrowbar为1.4 MW，无功功率Qgrid为0。DFIG 直流侧电压Udc1在故障切除时出现80 V 的过电压，经过几个周期波动后恢复正常，PMSG 直流侧电压Udc2基本保持稳定。九开关直流侧电压维持在1.8 kV，仅在电压跌落结束时产生微小波动。在电压严重不对称跌落工况下，九开关型UPQC 与卸荷电路联合运行，实现改善直驱-双馈混合风电系统电能质量的功能。

图5 九开关型UPQC 对严重不对称跌落补偿结果Fig.5 Compensation results of nine-switch UPQC with serious unsymmetrical sag

3.4 综合治理电压、电流谐波工况仿真

为验证九开关型UPQC 治理机端电压谐波、并网点电流谐波的效果，设计在0.3～0.5 s 内，通过非线性负载并结合可编程电源模拟在机端并联点处注入5 次和7 次电流谐波，在PCC 处注入包含5 次和7次的电压谐波。为对比九开关型UPQC 投入前后的补偿效果，设置0.3～0.5 s 内UPQC 不工作，0.5 s时UPQC 开始投入运行，仿真结果如附录A 图A6所示。

由附录A 图A6（a）可以看出，在0.5 s 时分别开启APF、DVR 补偿单元，补偿前后的波形变化形成明显对比。受到电压谐波的影响，直驱-双馈机端并联点电压Ug，abc波形发生畸变。UPQC 投入运行后，Ipcc，abc波形恢复正常，电流谐波畸变率（THD）变为1.88%，补偿效果明显。DFIG 的转子电流Ir，abc在谐波电压、电流影响下，在未投入UPQC 时波形畸变严重，0.5 s 后波形畸变情况得到了改善。DFIG 直流母线电压Udc1和PMSG 直流母线电压Udc2在0.5 s前有6 倍频振荡，投入UPQC 后得到抑制。九开关直流母线电压Udc3在投入运行时出现20 V 的过电压，随后恢复正常值。

九开关型UPQC 启动前后，Ug，abc的电压谐波分析如附录A 图A6（b）所示。在0.5 s 前，电压THD为20.18%，0.5 s 后开启补偿，THD 下降为1.99%。PCC 电流Ipcc，abc的电流谐波分析如附录A 图6（c）所示。在0.5 s 前，电流THD 为10.21%，补偿启动后THD 下降为1.88%。

4 结语

本文提出了九开关型UPQC 与直驱-双馈混合分散式风电系统一体化拓扑结构，通过对混合风电系统在典型故障工况下的运行特性进行仿真分析，得出以下结论：

1）以九开关变换器为换流结构的UPQC 可改善直驱-双馈混合分散式风电系统在电网电压偏差、不对称、谐波工况下的运行特性，实现柔性电压故障穿越。本文研究侧重于采用九开关变换器支撑机端电压实现故障电压穿越，电压故障工况下无功协同控制是后续研究内容。

2）九开关变换器三次谐波注入的SPWM 方法可提高直流电压利用率。利用电压补偿和电流补偿对逆变电压需求的不同步特点，设置的动态调制比优化策略可进一步降低对九开关变换器直流侧电压的需求。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。