并网光伏发电机组中旋转机械驱动控制方法研究

刘 伟

（新疆天富集团有限责任公司，石河子 832000）

并网光伏发电机组作为一个规模超大的并网发电系统，主要作用是将光伏阵列装置接收到的太阳能辐射转化为高电压直流电，并经过逆变器的反向转化后将电压同频同相的正弦型交流电流输入到电力系统中。但其在户外环境中易受到强风、暴雨、沙尘等因素影响，引发旋转机械的动不平衡问题。为了提高并网光伏发电机组的工作效率，保障其安全稳定运行，相关专家学者对并网光伏发电机组旋转机械驱动控制方法展开了深入研究[1-2]。

本文针对并网光伏发电机组旋转机械提出一种新的驱动控制方法。为了准确评估旋转机械的运行状态和性能，计算并网光伏发电机组暂态响应和旋转机械动不平衡量，得到发电机组在自然坐标系、原始坐标系以及旋转坐标系下的不同运动状态，将虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）本体算法和VSG 控制策略结合在一起，构建基于VSG 的旋转机械驱动控制模型，对驱动控制输出结果进行计算，完成旋转机械的精准驱动控制。

1 旋转机械运行状态分析

1.1 并网光伏发电机组暂态响应计算

并网光伏发电机组是由若干个光伏组件、前级Boost 变换器和后级逆变器组成的大规模并网发电系统。与传统静止式发电机相比，在暂态电压调度和一次能源的蓄电强度方面具有无法比拟的优势。当发电机组中的旋转机械开始运行时，需要对接入式电力系统低压侧和高压侧直流母线[3-4]的电容值同时测量，以保证能量转化过程中的等效电压和等效电流始终保持在额定电压和额定电流以下。光伏组件的作用是对机组光伏渗透率进行叠加计算，以确保接入式电力系统直流母线电压始终平稳，光伏渗透率[5]叠加计算公式为

式中：α 表示电力系统稳定运行状态下的功角；q 表示并网变换器的励磁电势幅值；Δt 表示直流电压的时间尺度；θi表示出口电压基波分量。

设直流母线的电容值为ι，获取并网光伏发电机组暂态响应计算公式为

式中：Δω 表示直流电容的参考电压；pi表示并网变换器的电压等级；pj表示电网电压与输出电压之间的相位角。

1.2 旋转机械动不平衡量计算

通过计算暂态响应，了解发电机组输出电流和电压发生的暂态波动情况，将其输入至动不平衡量目标模型中，获取准确的动态不平衡状况与条件。为此，参考机械运动学理论，对旋转机械的动平衡模型[6]进行建模，计算旋转机械动不平衡量，以减小不平衡带来的负面影响。建立的目标模型如式（3）所示：

基于建立的旋转机械的动平衡模型，确定干扰力矩的分布情况，得到旋转机械动不平衡量为

式中：δi，j表示第i 个旋转轴中第j 个干扰力矩的位置信号表示旋转轴转角扰动系数表示旋转轴的转角。

1.3 获取旋转机械的运行状态

旋转机械由转子、定子、转轴以及永磁体组合而成，具有多变量、强耦合和非线性特征。通过计算并网光伏发电机组的暂态响应和旋转机械动不平衡量，可以评估旋转机械的运行质量。以此为基础，对旋转机械的内部结构建立一个数学模型，用来反映旋转机械的运行状态，并为驱动控制提供控制主体。

将并网光伏发电机组暂态响应及不平衡量输入旋转坐标系中，定义旋转机械进行驱动控制的旋转坐标系为H1，静止的原始坐标系[8]为H2，自然坐标系为H3，与3 个坐标系对应的旋转机械电机三相分别为a、b、c。对旋转机械在自然坐标系H3下的电子电压方程进行推理，得到：

式中：Ua、Ub、Uc分别表示电机三相的定子绕组电压；R 表示电机三相定子绕组电阻[9]；Ia、Ib、Ic分别表示电机三相的定子绕组相电流；εa、εb、εc分别表示与电机定子绕组对应的磁链向量，表达公式为

式中：Ka、Kb、Kc分别表示电机三相绕组自感；φ 表示自然坐标系H3下的三相 角；Ja、Jb、Jc分别表示电机三相绕组互感；φ 表示旋转机械转子的永磁体磁链。

旋转机械在自然坐标系H3下的转矩方程表达式为

式中：ζ 表示旋转机械拥有的转子极对数。

在Clarke 变换算法的作用下，将自然坐标系下的旋转机械变换到原始坐标系中，Clarke 变换方程如式（8）所示：

式中：η（q）表示经过Clarke 变换后与自然坐标系中三相电流矢量对应的原始坐标系中三相电流矢量；A 表示Clarke 变换矩阵；Iabc（q）表示自然坐标系中的旋转机械三相电流矢量。

经过式（8）变换后，可得到静止的原始坐标系下的旋转机械数学模型，进而推理得到原始坐标系下的电压方程为

式中：Ux、Uy、Uz分别表示旋转机械在静止时的三相等效电压；Ix、Iy、Iz分别表示旋转机械在静止时的三相等效电流；εx、εy、εz分别表示旋转机械在静止时的三相等效磁链[10]。

经过Clarke 变换后，式（6）变换为

式中：Kx、Ky、Kz分别表示旋转机械在静止时的三相绕组自感；Jx、Jy、Jz分别表示旋转机械在静止时的三相绕组互感；ρ 表示旋转机械的转子角速度。

通过Clarke 变换将原始坐标系H2中的旋转机械变换到旋转坐标系H1中，使静止的旋转机械变换到运动状态下，此时旋转机械的运行状态表达式为

式中：Gw表示旋转坐标系H1下的旋转机械磁链转矩；U、I 分别表示旋转机械的转子电压和电流。

通过建立旋转机械驱动控制模型，可以监测旋转机械的不同运动状态，提高驱动控制的可靠性。

2 并网光伏发电机组旋转机械驱动控制

VSG 中包含了直流电源、输出LC 滤波器以及电力电子交换器等部件。在变换器中嵌入同步发生器的方程式，VSG 根据同步发生器的特性使直流电源和并网光伏发电机之间进行功率交换，以此实现对旋转机械的驱动控制。VSG 拓扑结构如图1 所示。

图1 VSG 拓扑结构图Fig.1 VSG topological structure diagram

二阶W、三阶S、五阶P 模型表达式分别为

式中：gi表示旋转机械中转子的转速；ν 表示衰减因子；Δb 表示期望阻尼；λa表示阻尼偏差；o′表示模型的权重值；u 表示惯性响应的时间间隔；Yn表示旋转机械转子角频率基准值；s1、s2分别表示有功负荷扰动阈值和联络线功率振荡幅值。

通过上述技术，建立基于VSG 的旋转机械驱动控制模型，将VSG 本体算法作为驱动控制的核心算法，同时结合VSG 控制策略，得到基于VSG 的旋转机械驱动控制模型。

VSG 本体算法表达式如式（13）所示：

式中：μn、μm分别表示旋转机械转子角速度和线速度；R′表示加入负荷扰动后旋转机械转子的暂态持续时间。由此，获取旋转机械驱动控制的输出结果为

式中：κ0表示扰动周期的抑制频率；χ 表示功率谱初始变化率；y¯表示旋转机械转子的初始存储动能。

根据式（14）的计算结果，实现对并网光伏发电机组旋转机械的驱动控制。

3 实验测试

为了验证所提方法是否可以实现理想的驱动控制，展开实验测试分析。并网光伏发电机组中应用的为IHFA-AF47 型号旋转机械，电压330 V，功率7.56 kW，气流方向为轴流式，旋转直径为756.45 mm，共有7 片叶片。利用Simulink 仿真软件包对并网光伏发电机组电路进行模拟，拓扑结构图及实验各项参数设置如图2、表1 所示。

表1 实验参数设置Tab.1 Experimental parameter settings

图2 并网光伏发电机组模拟电路拓扑结构图Fig.2 Topological structure diagram of the analog circuit of grid connected photovoltaic generating units

3.1 机械振幅测试

控制算法的电压值决定了机械振幅的表现形式，振幅越大，说明控制算法的可靠性越差；反之，则说明控制算法的可靠性越高。所提方法的机械振幅如图3 所示。

图3 机械振幅测试Fig.3 Mechanical amplitude test

通过图3 可知，随着电压值的不断升高，机械振幅也随之增加，直至电压值达到210 V 时为振幅峰值，之后随着电压值的增加振幅出现下降趋势，振动幅度始终未超过0.6 cm，说明了该方法的可靠性。

3.2 控制响应时间测试

在控制请求数量不断变化的前提下，测试所提方法的控制响应时间。在发送控制请求的那一刻为起始时间，旋转机械驱动运行为终止时间，响应时间如图4 所示。

图4 控制响应时间测试Fig.4 Control response time test

从图4 中可以看出，控制响应时间较短，平均为1.28 s，数值较小，说明可以针对旋转机械实现实时控制。

3.3 控制精度测试

失控率可以在一定程度上反映出算法的控制精度，计算公式为

式中：w 表示旋转机械驱动控制失败次数；r 表示旋转机械驱动控制成功次数。利用式（15）计算所提方法的失控率，结果如图5 所示。

图5 失控率测试Fig.5 Loss of control rate test

从图5 中可以看出，随着控制次数的不断增加，所提方法的失控率虽然呈上升趋势，但未超过7.5%，说明该方法的控制精度较高，满足设计要求。

4 结语

针对并网光伏发电机组中存在的问题，提出一种旋转机械驱动控制方法。通过分析并网光伏发电机组暂态响应和计算旋转机械动不平衡量，建立旋转机械驱动控制数学模型，获取旋转机械的运行状态。建立基于VSG 的旋转机械驱动控制模型，将VSG 控制策略作为模型的外骨架、VSG 本体算法作为核心算法，实现对旋转机械的驱动控制。实验结果表明，所提方法具有较高的控制可靠性和控制效率，同时可以有效提高驱动控制精度。