雙PMW直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越控制

劉勝文，包廣清，范少偉，劉 峻 ，李正元

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050；2.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

引言

風(fēng)力能源是理想的清潔能源，目前我國(guó)近海風(fēng)場(chǎng)的可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源是陸上實(shí)際可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源儲(chǔ)量的3倍，接近7.59億kW[1]。但海上風(fēng)電是陸上風(fēng)電的2倍，為降低成本，海上風(fēng)電場(chǎng)需要更大的風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量、更少的維護(hù)成本以及更可靠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）直接與風(fēng)力機(jī)相連接，轉(zhuǎn)速低，極數(shù)多，定轉(zhuǎn)子尺寸大，呈扁平狀結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的特點(diǎn)，PMSG的這些特性有利于抑制風(fēng)力起伏引起的電勢(shì)波動(dòng)，同時(shí)PMSG無(wú)齒輪箱，對(duì)電網(wǎng)有更好的融合性[2-4]，以上特點(diǎn)使得PMSG應(yīng)用在海上風(fēng)電有明顯的優(yōu)勢(shì)。由文獻(xiàn)[5]可知，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行0.625s的低電壓穿越能力（LVRT）。

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)往往會(huì)使直流母線電壓過(guò)高，目前PMSG系統(tǒng)的LVRT采取的主要措施有[6]：①選擇耐壓和過(guò)流值比較大的電力電子器件，并提高直流電容的額定電壓值；②增加輔助網(wǎng)側(cè)變流器；③在直流母線（DC-link）上接儲(chǔ)能系統(tǒng)或Buck變換器；④采取變槳控制。其中措施①～③需要改變或增加器件，增加了系統(tǒng)的成本，措施④的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢。因此，本文提出一種基于功率變換的控制方法，通過(guò)機(jī)側(cè)整流器穩(wěn)定直流母線電壓，網(wǎng)側(cè)逆變器跟蹤風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用。電網(wǎng)跌落時(shí)，使系統(tǒng)輸入和輸出不平衡的能量轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的動(dòng)能，從而提高低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)安全度過(guò)電網(wǎng)故障。

1 風(fēng)力機(jī)模型

雙脈寬調(diào)制(PWM)變換器因具有功率雙向流動(dòng)等特點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的運(yùn)行特性,因而在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究中得到了廣泛關(guān)注[7]。本文采用圖1所示的PMSG系統(tǒng)，圖中C為直流母線（DC-link）電容，idcDC-link電流，udc為DC-link的電壓，R為電抗器及開(kāi)關(guān)管的等效電阻，L為網(wǎng)側(cè)電抗的電感。

圖1 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型為[8]：

式中：Pw為軸機(jī)械功率；λ為葉尖速比；ρ為空氣密度；R為風(fēng)葉半徑；wω為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；v為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)能利用系數(shù)定義為：

當(dāng)槳距角θ=0o時(shí)，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)為最大值= 0 .44，而葉尖速比為= 6 .9。對(duì)于槳距角固定但風(fēng)速不同的情況下，風(fēng)力機(jī)的輸出功率P曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)功率特性

由圖2可知，對(duì)每個(gè)風(fēng)速都存在一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大。則當(dāng)P小于額定功率時(shí)，P和轉(zhuǎn)子速度參考值則存在如下關(guān)系[9]：

2 控制策略

忽略發(fā)電系統(tǒng)的功率損失，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、直流母線電壓和系統(tǒng)各有功功率之間的關(guān)系可以表示為：

式中：Pm為轉(zhuǎn)變成風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)動(dòng)能的功率；cP為貯存在DC-link上電容C功率；Pgrid為注入電網(wǎng)中的有功功率。

在傳統(tǒng)的控制方法里[10]，機(jī)側(cè)整流器用來(lái)控制發(fā)電機(jī)輸出功率，跟蹤最佳的轉(zhuǎn)速參考值；網(wǎng)側(cè)逆變器用來(lái)保持的DC-link電壓和向電網(wǎng)輸出有功和無(wú)功。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，由于電流不能突變，Pgrid迅速變小。然而機(jī)側(cè)整流器仍保持PMSG的最大功率輸出，Pgen基本不變；與此同時(shí)網(wǎng)側(cè)逆變器為了傳送等量的有功，需增大輸出電流，而流過(guò)逆變器的最大電流值由參考的限幅值決定，使輸出功率增加受到限制。根據(jù)式（5），在電壓跌落時(shí)，將會(huì)有更多的能量?jī)?chǔ)存在DC-link的電容上，這必然導(dǎo)致udc升高，這會(huì)對(duì)變流器造成損壞。

為此，本文引入一種基于功率變換的控制方法，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中g(shù)θ為轉(zhuǎn)子位置角；Ld、Lq分別為發(fā)電機(jī)在d、q軸下的電感；ugd、ugq分別為定子電壓的d、q分量；igd、igq分別為定子電流的d、q分量；eω為發(fā)電機(jī)電角速度；ψf為永磁體磁鏈；usd和usq為逆變器的d、q軸電壓分量；isd和isq為逆變器的d、q軸電流分量；esd和esq為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量；gω為電網(wǎng)角頻率。

在圖3所示的控制系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)整流器的目的是維持電壓udc的值保持在一定的范圍；網(wǎng)側(cè)逆變器的目標(biāo)是能根據(jù)風(fēng)能捕獲原則輸出最佳功率。機(jī)側(cè)整流器是采用電流igd為內(nèi)環(huán)、電壓udc為外環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。以DC-link的額定電壓為電壓參考值，實(shí)際的udc為負(fù)反饋，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到。網(wǎng)側(cè)逆變器也采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。由電網(wǎng)電壓和電流得到系統(tǒng)所要輸出的有功功率，利用式（3）最大風(fēng)能跟蹤原則中功率與風(fēng)機(jī)參考轉(zhuǎn)速的關(guān)系，得到轉(zhuǎn)速參考值，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于或等于1p.u.時(shí)，為1。從而使系統(tǒng)能根據(jù)注入電網(wǎng)有功功率的需求，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。

式中Q為電網(wǎng)需要的無(wú)功功率；i為逆變器允許流過(guò)的最大電流值。

圖3 新的控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，直流母線兩側(cè)輸入功率大于輸出功率。為了保持直流母線上電壓為常數(shù)，由于udc的負(fù)反饋，機(jī)側(cè)整流器將減小電流igd來(lái)減小發(fā)電機(jī)輸出功率，由式（5）可知udc將得到有效的抑制。但如果系統(tǒng)不采用變槳控制，Pm基本不變，由式（4）可知，這將會(huì)使得風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，然而對(duì)于MW級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速的提升是比常小的。

3 仿真與分析

本文針對(duì)圖1所示容量為2MW的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在 MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下，對(duì)傳統(tǒng)控制方法和本文提出的控制方法進(jìn)行對(duì)比分析。假定風(fēng)速為11m/s，圖4所示的是在0.02s-0.72s并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至 15%時(shí)（圖 4a），在傳統(tǒng)的控制方法和新的控制方法下，系統(tǒng)的LRVT能力。

仿真參數(shù)如下：

（1）風(fēng)力機(jī)：空氣密度1.225kg/m3，風(fēng)輪半徑40m，額定風(fēng)速11m/s；

（2）PMSG：極對(duì)數(shù) 40，定子線電壓 730V，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4.32，磁感應(yīng)強(qiáng)度 1.2pu，定子相電阻為0.006pu，交軸電感 Xd為 1.305p.u.，直軸電感 Xq為0.474p.u.，額定轉(zhuǎn)速2.5rad/s；

（3）變流器：直流電容0.2F，直流電壓1100V，開(kāi)關(guān)頻率 2kHz，輸出額定電壓 690V，輸出的限定電流1.1p.u.，無(wú)功設(shè)定值0，電網(wǎng)角頻率50Hz。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率迅速減小，如圖4b。為了保持DC-link上電壓為一定值，機(jī)側(cè)整流器將減小電流igd來(lái)減小發(fā)電機(jī)輸出功率，從圖4e中可以看到，在新的控制方法下，發(fā)電機(jī)的輸出功率迅速變小了，由圖4c可知，DC-link上電壓udc在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)變化，上升的幅值比在傳統(tǒng)控制方法下的小很多。然而由式（4）可知，由于功率不平衡，會(huì)使一部的能量存儲(chǔ)在風(fēng)力機(jī)上，這樣風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速wω提升了一些，上升的幅度在0.08內(nèi)，在安全范圍內(nèi)，如圖4d。由于無(wú)功功率的控制在本文的控制和傳統(tǒng)的控制方法一樣，為了調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，無(wú)功功率輸出基本上沒(méi)有變化，如圖4f。

圖4 電網(wǎng)電壓驟降下傳統(tǒng)的和新的控制的仿真對(duì)比

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)功率變換器控制方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于功率變換的控制策略，通過(guò)發(fā)電機(jī)側(cè)整流器來(lái)調(diào)節(jié)直流母線電壓，而網(wǎng)側(cè)逆變器則用來(lái)從風(fēng)能中跟蹤最大的功率。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)故障引起電壓的大幅跌落時(shí)，本文提出的控制方法能有效地減小直流母線上的電壓上升，從而提高其低電壓穿越的能力，保證風(fēng)電系統(tǒng)能安全有效地度過(guò)電網(wǎng)故障。但由于PMSG的轉(zhuǎn)子沒(méi)有阻尼繞組和勵(lì)磁繞組，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，需引入阻尼控制抵制波動(dòng)，這有待進(jìn)一步研究。

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