電網(wǎng)故障下直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器改進(jìn)控制策略
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作者：杜健昌
直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(Direct DrivePerma-Nent Magnet Synchronous Generator For Wind Pou-er System, DPMSG)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高，具備向大容量發(fā)展的潛力，成為近年風(fēng)電行業(yè)研究熱點(diǎn)。隨著分布式風(fēng)力發(fā)電不斷發(fā)展，電網(wǎng)復(fù)雜程度愈來愈高，這就要求風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行能力和處理故障能力越來越強(qiáng)。如果風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)會(huì)造成多次脫網(wǎng)事故，因此急需能夠保證機(jī)組可靠運(yùn)行、降低運(yùn)行成本的解決方案。
一種低電壓穿越方法是在直流母線處或變流器網(wǎng)側(cè)輸出端口處增加額外卸荷電路或儲(chǔ)能器件，以消耗或儲(chǔ)存風(fēng)機(jī)在低壓運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多余能量。通過增加Crowbar電路使直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備低電壓穿越能力，然而這種方未會(huì)使系統(tǒng)增加耗能電路面臨散熱問題。
增加了儲(chǔ)能單元與相應(yīng)的控制算法，提高了系統(tǒng)運(yùn)行成本。另一方法是在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳距角減小風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而減小發(fā)電機(jī)輸出功率。但這種方法調(diào)節(jié)時(shí)間長，響應(yīng)速度慢，不能滿足低壓穿越技術(shù)要求�？紤]了變槳控制策略，并通過機(jī)側(cè)變流器穩(wěn)定直流母線電壓，網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，然而由于這種控制存在控制策略的切換，實(shí)際應(yīng)用中易導(dǎo)致切換后控制算法失效。本文針對(duì)采用雙PWM變流器的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提出一種用于低壓穿越的改進(jìn)的機(jī)側(cè)變流器控制策略=
1風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型與傳統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器控制
1.1風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型
采用雙PWM變流器的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可知，機(jī)側(cè)變流器用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大跟蹤和恒功率控制，網(wǎng)側(cè)變流器用于穩(wěn)定直流母
線電壓和無功給定。
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一般由變槳控制器和轉(zhuǎn)矩控制器控制。在風(fēng)速未達(dá)到額定風(fēng)速前，槳距角為00吸收最多風(fēng)能。轉(zhuǎn)矩控制是利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流分量控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而使風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行于最佳風(fēng)能利用系數(shù)下。風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型如下：
式中：Pm為風(fēng)機(jī)機(jī)械功率；Tm為風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Cp
為風(fēng)能利用系數(shù)；
為葉尖速比；
為槳距角；A為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積；
為空氣密度：r為葉片半徑；
為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；
為風(fēng)速；Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為摩擦系數(shù)。
從式(1)可知，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算風(fēng)力機(jī)輸出最佳功率指令
發(fā)電機(jī)功率與風(fēng)力機(jī)功率關(guān)系：
1.2發(fā)電機(jī)模型
基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，將d軸定位于轉(zhuǎn)子磁場方向，得定子電壓方程：
1.3傳統(tǒng)的機(jī)側(cè)變流器控制策略
通過風(fēng)力機(jī)模型機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)變槳控制與轉(zhuǎn)矩控制。由式(1)可知，在一定風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)功率曲線上的最佳功率只與轉(zhuǎn)速有關(guān)：對(duì)于變流器機(jī)側(cè)控制，式(3)~(5)構(gòu)成DPMSG轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；0一般設(shè)為0，內(nèi)環(huán)為dq軸電流的閉環(huán)控制二最大風(fēng)能跟蹤控制如圖2所示。
2改進(jìn)的機(jī)側(cè)變流器控制策略
電網(wǎng)電壓驟降時(shí)網(wǎng)輸出電能減小，造成直流母線電壓升高，其輸入、輸出功率不匹配是導(dǎo)致直流母線電壓變化的根本原因。傳統(tǒng)方法增加耗能電路或儲(chǔ)能裝置將多余能量消耗或轉(zhuǎn)移．沒有真正解決功率不匹配問題。現(xiàn)提出一種改進(jìn)機(jī)側(cè)變流器控制策略解決電壓跌落引起的直流母線電壓波動(dòng)問題。直流母線電壓與網(wǎng)側(cè)輸出功率、機(jī)側(cè)輸入功率關(guān)系：
式中：C為直流母線電容；M。。為直流母線電壓；Pg為電網(wǎng)電壓正常時(shí)變流器網(wǎng)側(cè)輸出有功功率。
電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)DPMSG向電網(wǎng)發(fā)送功率減小，令：
式中：Pg為故障時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率；Kg為網(wǎng)側(cè)有功功率波動(dòng)系數(shù)。
為使機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器在電壓跌落時(shí)功率匹配，令機(jī)側(cè)輸出功率為
式中：Ps為改進(jìn)后機(jī)側(cè)有功功率參考值；Ks為改進(jìn)后有功功率參考值補(bǔ)償系數(shù)。
電網(wǎng)電壓故障時(shí)式(6)可改為
為保證直流母線電壓波動(dòng)較小，則波動(dòng)前后機(jī)側(cè)輸出功率為
由式(7)，(8)可得：機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償系數(shù)ks=kg-1。電網(wǎng)電壓跌落后，機(jī)側(cè)電流內(nèi)環(huán)參考值增加q軸轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償項(xiàng)，迅速減小機(jī)側(cè)有功功率輸出。
電網(wǎng)電壓跌落后，網(wǎng)側(cè)輸出功率減小。若保持直流母線電壓兩端功率平衡，應(yīng)使機(jī)側(cè)輸入功率跟隨網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率變化，抑制直流母線電壓驟升，但功率調(diào)節(jié)速度較低，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩誤差較大故通過q軸電流直接補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)速度不發(fā)生突變．功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，適合低電壓穿越快速響應(yīng)要求=為協(xié)同網(wǎng)側(cè)降低直流母線電壓，對(duì)機(jī)側(cè)變流器d軸電流補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)弱磁控制，使d軸電流產(chǎn)生去磁效果，dq軸電流相互配合使電機(jī)反電動(dòng)勢減小且功率降低，間接維持直母線電壓平衡，實(shí)現(xiàn)調(diào)轉(zhuǎn)矩與調(diào)電壓。電流補(bǔ)償值為
式中;
軸抑制變化產(chǎn)生的磁鏈變化量，即弱磁效果。
風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落過程中為降低輸入功率，保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性和高精度，根據(jù)式(3)．
(4)，(11)可得控制算法為
式中：
為d軸電流補(bǔ)償比例、積分系數(shù)。
在網(wǎng)側(cè)電壓跌落時(shí)通過增加補(bǔ)償電流修正發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值。機(jī)側(cè)變流器改進(jìn)后的控制策略如圖3所示。
圖3中，設(shè)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值為Vg，當(dāng)1.1>Vg>0.9，即電網(wǎng)電壓正常時(shí)輸出為1，機(jī)側(cè)功率補(bǔ)償項(xiàng)系數(shù)為0，按照傳統(tǒng)控制策略運(yùn)行。當(dāng)0.2<Vg<0.9時(shí)輸出為2，機(jī)側(cè)控制策略按照改進(jìn)控制策略運(yùn)行。
電網(wǎng)電壓故障下，為限制風(fēng)力機(jī)輸出功率，必須考慮變槳控制在電壓跌落過程中的作用。在額定風(fēng)速以下時(shí)，為吸收最大風(fēng)功率機(jī)組槳距角為00，當(dāng)電壓跌落后，通過機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)出力減少，導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，傳統(tǒng)的變槳控制會(huì)因轉(zhuǎn)速增加而進(jìn)行收槳二如果發(fā)電機(jī)吸收功率急劇較少，收槳?jiǎng)幼黜憫?yīng)緩慢可能會(huì)導(dǎo)致飛車。因此為減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的振蕩程度，并且在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，需要增加變槳控制器，具體控制算法為
式中：
為電網(wǎng)故障下變槳控制比例、積分系數(shù)。
當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落后，由于機(jī)側(cè)輸出功率受到限制，此時(shí)風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能不變，致使風(fēng)力機(jī)多余能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子動(dòng)能，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。在電壓跌落過程中轉(zhuǎn)子動(dòng)能和系統(tǒng)輸出功率關(guān)系為
式中：J為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；W1,W2分別為電壓跌落前后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；
為電壓跌落時(shí)間。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，故在規(guī)定跌落時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大。改進(jìn)后機(jī)側(cè)控制策略限制了動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，但由風(fēng)力機(jī)過剩能量產(chǎn)生轉(zhuǎn)速上升很小，可忽略電壓跌落過程中轉(zhuǎn)速變化。由于電壓跌落時(shí)間較短，變槳系統(tǒng)使機(jī)組輸出功率不足以使風(fēng)力機(jī)動(dòng)能產(chǎn)生較大增加。因此改進(jìn)機(jī)側(cè)控制策略不僅能有效解決低壓穿越過程中直流母線電壓驟升問題，且不會(huì)影響機(jī)組轉(zhuǎn)速。電網(wǎng)電壓正常后，多余動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸送至電網(wǎng)。
對(duì)于變流器網(wǎng)側(cè)控制策略，傳統(tǒng)控制目標(biāo)為向電網(wǎng)提供有功功率，而當(dāng)電網(wǎng)電壓故障時(shí)，電網(wǎng)需要機(jī)組無功支撐，輔助抬高電網(wǎng)電壓。根據(jù)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范規(guī)定風(fēng)電場在低電壓穿越過程中風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流為
式中：
為無功電流給定值；為電流額定值。
低電壓故障持續(xù)并超過允許時(shí)間625 ms時(shí)，風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)需完全退出運(yùn)行。即使變槳系統(tǒng)已從故障開始時(shí)刻緊急收槳，槳葉收槳速度設(shè)為10o/s．并已經(jīng)收槳625 ms．風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)仍需卸荷裝置維持2—3 s．保證發(fā)電機(jī)與變槳系統(tǒng)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，卸荷系統(tǒng)如圖4所示。
超出電壓跌落規(guī)定時(shí)間使用卸荷電路，相比單純耗能電路，結(jié)構(gòu)簡單，能耗較小，不需考慮較多成本與散熱難題。卸荷電路由電阻和IGBT組成，直流電壓參考值和實(shí)際值通過滯環(huán)比較控制IGBT通斷，其阻值大小表征機(jī)組在超過625 ms后退出運(yùn)行時(shí)承受故障能力。
在電網(wǎng)零電壓故障時(shí)，機(jī)組已不能向電網(wǎng)發(fā)出電能，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組空載運(yùn)行。零電壓故障發(fā)生后，直流母線電壓增加，機(jī)側(cè)改進(jìn)控制策略迅速減小發(fā)電功率，但是發(fā)電機(jī)仍然通過機(jī)側(cè)發(fā)出部分 電能，為保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行只能直接依靠卸荷電 路消耗。
當(dāng)上述故障發(fā)生后，如果機(jī)側(cè)所采用的控制算法失效，多余能量都由卸荷電路和母線電容承受，并且機(jī)組緊急收槳，避免卸荷電路及母線電容承受過多能量。
3直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真分析
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)：定子額定電壓為690V；電網(wǎng)頻率50 Hz;額定功率1500 kW；額定風(fēng)速11m/s；極對(duì)數(shù)60;直流電壓1 100 V;dq定子繞組電感1.7 mH;轉(zhuǎn)子磁通4.744 Wb；轉(zhuǎn)子磁通4.744Wb;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量11258 kg .m2;逆變器開關(guān)頻率2000 Hz;電抗器電感0.2 mH；變壓器一次／二次繞組線電壓35 000 V/690 V，并設(shè)風(fēng)速為11 m/s、空氣密度1.04 kg/m3，葉片半徑30 m，最大風(fēng)能利用系數(shù)0.438，最佳葉尖速比6.325。DPMSG經(jīng)輸電線路并入電網(wǎng)，輸電線阻抗為0.676 4+j1.352 8 
，電網(wǎng)等效電抗為j0.000 1
，長度為30 km：風(fēng)電系統(tǒng)如圖5。
根據(jù)DPMSG數(shù)學(xué)模型及變流器控制策略在Simulink中搭建模型，控制原理框圖如圖6所示。
當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)輸出為1，機(jī)側(cè)優(yōu)先控制轉(zhuǎn)矩，網(wǎng)側(cè)優(yōu)先控制有功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓故障時(shí)輸出為2，機(jī)側(cè)優(yōu)先控制磁場，網(wǎng)側(cè)優(yōu)先控制無功功率。
比較傳統(tǒng)控制與本文提出控制方法，仿真0.375 s時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相電壓跌落故障，故障持續(xù)時(shí)間為625 ms．在1s時(shí)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常二故障期間網(wǎng)側(cè)變流器端電壓U由690 V驟降到138V，即并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓。傳統(tǒng)控制下故障后電網(wǎng)電壓為0.2 pu.直至電網(wǎng)電壓恢復(fù)。改進(jìn)控制下電網(wǎng)電壓如圖7所示
由圖7可知，故障后依靠風(fēng)機(jī)發(fā)出無功使電網(wǎng)電壓為0.25 pu，1s時(shí)電網(wǎng)電壓恢復(fù)。
不同控制策略的風(fēng)電機(jī)組有功、無功功率如圖8.9所示。
由圖8，9可知．傳統(tǒng)控制下有功功率將為0.2 pu，無功功率依舊為0左右，而改進(jìn)后通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩使吸收功率迅速有效減小，有功功率降為
- pu，無功為0.3 pu左右。
電網(wǎng)故障后網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率下降，而傳統(tǒng)控制下機(jī)側(cè)變流器輸入功率不變，造成直流母線電容兩端功率不匹配。電壓不斷升高如圖10所示。
由圖10可知，改進(jìn)機(jī)側(cè)控制策略后，由于降低了
給定值，充分降低了機(jī)側(cè)輸入功率，因此直流母線電壓波動(dòng)較小，保證了直流母線電壓穩(wěn)定。在1s時(shí)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，有功功率逐漸恢復(fù)達(dá)到額定值。
電網(wǎng)故障時(shí)，不同控制策略下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳角距分別如圖11，12所示。
由圖11可看出，改進(jìn)機(jī)側(cè)控制策略下部分功率儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)子動(dòng)能當(dāng)中，在電網(wǎng)故障恢復(fù)后轉(zhuǎn)換為電能。由圖12可知，改進(jìn)后的控制在電網(wǎng)故障后馬上開始收槳?jiǎng)幼�，減少風(fēng)輪吸收功率，配合機(jī)側(cè)控制器減少發(fā)電機(jī)發(fā)出功率。
4結(jié)論
采用改進(jìn)控制策略，故障時(shí)多余能量儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和電容中。提出直流母線電壓調(diào)節(jié)槳距角的方法，減少風(fēng)輪吸收能量。通過采用直接補(bǔ)償機(jī)側(cè)q軸電流參考值的方法抑制直流母線電壓波動(dòng)，并加入機(jī)側(cè)d軸弱磁控制，可實(shí)現(xiàn)迅速降低發(fā)電機(jī)輸出功率至0.1 pu，使風(fēng)電系統(tǒng)具備低電壓穿越能力，并維持變流器直流母線兩端功率平衡，保持風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。
利用網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功，相比傳統(tǒng)控制方法使風(fēng)機(jī)接入點(diǎn)電壓增加0.05 pu，對(duì)電網(wǎng)電壓恢復(fù)起到了一定作用。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)間過長時(shí)．降低發(fā)電機(jī)輸出功率會(huì)使整個(gè)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，增加卸荷電路為變槳距控制系統(tǒng)保證了一定時(shí)間。機(jī)組可充分降低風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能，保證在低電壓穿越、零電壓穿越以及機(jī)側(cè)控制算法失效時(shí) 機(jī)組安全退出運(yùn)行，控制方法簡單，對(duì)于短時(shí)電網(wǎng)故障有較好的經(jīng)濟(jì)性。
5摘要：
文章對(duì)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越過程進(jìn)行深入研究，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)．通過分析發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器最大風(fēng)能跟蹤控制策略，提出一種補(bǔ)償q軸電流參考值抑制直流母線電壓 的新方法，并加入弱磁控制，使發(fā)電機(jī)輸出功率迅速有效降低，進(jìn)而維持機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的功率平衡及母線電壓穩(wěn)定。電網(wǎng)持續(xù)故障且超出規(guī)定時(shí)間時(shí)，為風(fēng)電機(jī)組增加了卸荷電路，保證機(jī)組安全退出運(yùn)行。分析結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的正確性和有效性．
