直驱型风力发电机低电压穿越协调控制仿真研究

张子皿，朱学勤

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

低电压穿越能力（Low Voltage Ride Through，简称LVRT）是指当电网发生电压跌落故障时，在一定范围内，风机必须不脱离电网，并且要向电网提供无功功率支持，以帮助电网恢复正常工作，并在故障切除后发电机组能够迅速恢复正常运行。针对直驱型风电机组，其变流系统直流侧电压在电网故障时期的稳定控制策略是实现低电压穿越的核心技术。

1 电网电压跌落影响

直驱型风力发电系统的功率回路主要由风力机、发电机、电机侧变流器、直流侧电容、电网侧变流器构成。当发生电网电压跌落故障时，电网侧变流器为了保持向电网输出功率不变，输出电流将增大，当电流达到器件限流值时，输出功率受到限制，此时若发电机保持正常运行，电机侧变流器保持其控制不变，则直流侧输入功率将大于输出功率，过剩的能量将对直流侧电容进行充电,如不采取措施，电容电压就会快速升高，进而危及运行安全，甚至造成变流器损坏。因此，直流电压是反映变流系统工作正常与否的主要标准，直流电压的稳定控制是实现电网电压跌落时风力发电机组不脱网运行的关键所在。

2 直流侧电压协调控制原理

传统的双闭环电网电压定向矢量控制对直流电压的控制是通过电压外环，当直流电压上升时，利用外环的直流电压调节器改变d轴电流给定值，进而控制直流电压。但是这样存在两个问题：①当电网电压大幅度跌落时，电网侧变流器电流达到限流值后，直流电压外环饱和，电网侧变流器对直流电压失去控制；②对电网侧变流器控制系统而言，直流侧电容相当于一个大惯性环节，直流电压调节环节只有在直流电压出现变化时才能改变d轴电流给定值，这就造成电网侧变流器输入瞬时功率变化缓慢，不能立即跟随电机侧变流器的瞬时功率变化，造成直流电压波动。因此，在电网故障过程中采用传统的双闭环控制方法将很难减小电压跌落时直流电压的波动。

文中从功率平衡的角度提出了双PWM协调控制直流电压，对电机的输出功率和电网侧变流器输出功率进行了有效控制，维持了直流电压的稳定，实现了风力发电机组的低电压穿越运行。

2.1 基于电网电压信息的电机侧输出功率控制

在电网电压跌落时，要保证直流侧输入、输出功率动态平衡，应该限制发电机输送到直流侧的功率。要实现限制发电机的输出功率一般是通过改变桨距角，减小风力机捕获的风能，进而减小发电机输出功率，但是变桨距控制系统的响应时间通常在秒级，这样对于毫秒级的电网电压跌落故障而言，这么短的时间采用变桨距调节就很难有效地限制发电机输出功率。由电机侧变流器双闭环矢量控制中的电流内环调节时间可达到毫秒级，因此可将电网电压跌落信息通过前馈控制的方式加入到电流内环设计中，首先通过限制发电机电磁转矩，进而达到快速限制发电机输出功率的目的，然后再配合变桨距系统调节上升的风力机转速，使之完成低电压穿越运行。

定义电网侧变流器正常工作时并网电压为UN，当发生电网电压跌落故障后电网侧变流器并网电压为U，则电网电压跌落幅度为KN=U/UN。可以按照电网电压跌落幅度来限制发电机输出的瞬时功率，如式（1）：

具体控制原理，发电机输出功率与发电机电磁转矩、发电机转速的关系如式（2）：

对于发电机转速而言，当发生电网电压跌落时，通过控制限制发电机输出的瞬时功率，使输出功率也相应地下降一定的比例，这时风力机捕获的过剩的风能，将转变为发电机转子的动能，设电网故障持续ts，那么过剩的能量转化为转子的动能为：

式中：Pe为正常情况时发电机输出功率；为电网故障时发电机输出功率；ω1为正常情况时风力机转速；ω2为电网故障时风力机转速；t为电网故障持续时间；J为风力机和发电机转子总转动惯量。

式（3）可化为：

假设一台2.5 MW风力发电机组在额定风速下运行，发电机输出额定功率时，发生电网故障，电网电压跌落到0%，并持续300 ms。在此功率等级的风力机转速ω1一般为20～30 r/min，风力机和发电机转子总转动惯量J为16 000 kg·m2。根据式（4）计算得到，此时发电机转速仅比正常时额定转速增加了1%～2%。通过分析，可知过剩的能量使风力机转速增加程度很低，当发生电网电压跌落故障的瞬间，可以认为风力机转速几乎没有变化。而且对于一般的风力发电机组来说，在很短的时间内风机转速超过额定转速1%～2%是完全可以承受的。

2.2 基于机侧输出功率的电网侧直接功率控制

对于电网侧变流器的控制，直接功率控制比电网电压定向矢量控制具有更优异的动态响应能力，而且直接对功率进行控制，控制目标明确，因此电网侧变流器控制策略采用直接功率控制。

正常情况下，电网侧电流器采用电压外环，功率内环的双闭环控制，电压外环用来保证直流侧电压稳定；功率内环实现有功功率、无功功率的解耦控制，及时将功率并入电网。在电网电压跌落时，为了保证直流侧功率平衡，电网侧变流器直接根据电机侧变流器的功率信息对有功功率和无功功率进行控制。

在实际控制中，当检测到电网电压大幅跌落时，电网侧电压外环控制信号切换为电机侧变流器输出功率，并根据电网电压跌落幅度和电网相关信息进行有功和无功功率的重新分配，向电网提供无功支持。当电网电压恢复正常后，电网侧切换回电压外环，功率内环控制。

3 基于Matlab/Simulink的仿真验证

为了验证直驱型风力发电系统变流控制策略的正确性，用Matlab/Simulink建立完整的使用背靠背双PWM变流器的直驱永磁风力发电系统模型。电机侧变流器根据不同的风速调节发电机的转速，使风力发电机运行在最大效率下，并将发电机发出的功率送到直流电容，电网侧变流器则完成功率因数控制，及时将功率并入电网，其中电机侧变流器和电网侧变流器的控制和运行都是相对独立的。电机侧变流器采用基于电网电压信息的矢量控制，电网侧变流器采用基于机侧输出功率的改进直接功率控制，如图1。

图1 双PWM变流器的直驱永磁风力发电系统模型

根据GB/T 19963.1-2021《风电场接入电力系统技术规定》对电压跌落并持续时间625 ms以上情况进行仿真试验，在0.2 s时电网电压跌落至80%，采用传统控制策略，中间直流侧电压波动如图2。

图2 传统控制策略直流电压曲线

采用协调控制，中间直流侧电压波动如图3。

图3 协调控制直流电压曲线

当电网电压跌落至20%并持续625 ms以上时，中间直流电压如图4、图5。

图4 传统控制策略直流电压曲线

图5 协调控制直流电压曲线

发电机定子d、q轴电流变化曲线、电磁转矩变化曲线、电网侧变流器输出电流变化曲线如图6～图9。

图6 发电机定子d轴电流变化曲线

图7 发电机定子q轴电流变化曲线

图8 发电机电磁转矩变化曲线

图9 电网侧变流器输出电流变化曲线

4 结论

通过仿真结果可以看出，当电网电压正常时，电机侧变流器对永磁同步发电机的电磁转矩，电机转速具有良好的控制性能；电网侧变流器输出并网电流正弦化，直流电压稳定。当电网电压发生对称故障时，可以看出采用基于电网电压信息电机侧输出功率控制和基于机侧输出功率的电网侧直接功率控制比传统电机、电网侧双矢量控制的直流电压控制效果更好，可以有效地抑制电网电压跌落引起的直流侧电压不稳定问题，保证了直驱型风力发电系统并网运行的安全性和可靠性，提高了系统的低电压穿越能力。

直流母线电压的稳定是两个变流器正常工作的前提，本文针对电网三相电压对称跌落期间传统的双闭环控制策略无法保证直流电压稳定在恒定值进行了改进，提出了直流电压协调控制策略，通过对电机侧变流器和电网侧电流器协调控制，实现了电网电压跌落期间直流电压的稳定控制，提高了直驱型风力发电系统低压穿越裕度。在电网电压跌落的持续时间较短时，采用该控制策略可以完成低电压穿越运行，如果电网电压跌落时间持续较长，那么在风力机转速增加到一定程度，就需要配合变桨距控制系统等限制风力机捕获的风能。