永磁直驅(qū)風(fēng)電機組變流器加強型直流穩(wěn)壓研究

陳曉雷，施曉蓉，楊躍龍

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101;2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411101)

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永磁直驅(qū)風(fēng)電機組變流器加強型直流穩(wěn)壓研究

陳曉雷1,2，施曉蓉1，楊躍龍1

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101;2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411101)

目前針對電網(wǎng)故障的研究，主要集中在對稱故障方面，研究的是不對稱故障中的小值電網(wǎng)電壓不平衡時風(fēng)電機組的故障穿越技術(shù).在傳統(tǒng)電網(wǎng)電壓定向的電壓、電流雙閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，應(yīng)用變流器網(wǎng)側(cè)和機側(cè)功率平衡控制原理，將永磁同步發(fā)電機輸出有功功率Ps變化的信息引入d軸控制回路，從而實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變流器輸入至電網(wǎng)的有功功率能夠及時跟蹤永磁同步發(fā)電機輸出有功功率的變化，從而解決了變流器輸入輸出的有功不平衡問題，避免了直流母線電壓的波動.

不對稱故障；功率平衡；網(wǎng)側(cè)變流器；波動

0 引 言

據(jù)全球風(fēng)能理事會統(tǒng)計，截止2012年12月底，全球風(fēng)電新增裝機容量已達(dá)45 GW，全球總計風(fēng)電裝機容量為282.5 GW，我國新增風(fēng)電機組7872臺，全國累計風(fēng)電裝機容量達(dá)7532.4萬千瓦[1].永磁直驅(qū)風(fēng)電機組由于設(shè)備可靠性高、利用率高和故障率低等特點而成為風(fēng)電機組發(fā)展的主要方向之一，其采用的是全功率變流器，實現(xiàn)了同步發(fā)電機和電網(wǎng)的解耦，可以降低電網(wǎng)故障對風(fēng)電機組帶來的損壞，同時具有良好的低電壓穿越能力.但是全功率變流器在電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障或不對稱負(fù)載時，會引起電網(wǎng)電壓正序分量下降和電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的出現(xiàn)，造成變流器直流母線的“有功不平衡”和直流母線電壓的二倍頻波動，給風(fēng)電機組帶來安全隱患，還會導(dǎo)致饋入電網(wǎng)電能的諧波分量大大增加[2][3][4].為了降低直流母線電壓的波動，傳統(tǒng)的方法就是增大變流器的直流側(cè)電容值[9]，但是這種方法會影響直流母線電壓的動態(tài)性能，增加變流器的整體成本，因此需要尋求一種成本更低和控制效果更好的直流穩(wěn)壓控制的方法[4].

本文提出一種加強型直流母線穩(wěn)壓控制策略，該控制策略基于正負(fù)序電壓分別定向原理，采用正負(fù)序雙 電流控制方法；同時將并網(wǎng)電抗器產(chǎn)生的功率波動也考慮在內(nèi)，將其作為功率波動量來修正控制算法中的電流參考值.最后在基于MATLAB/Simulink軟件構(gòu)建的永磁直驅(qū)風(fēng)電機組模型上對提出的控制策略進行仿真驗證.

1 電網(wǎng)電壓不平衡時網(wǎng)側(cè)變流器的運行分析

在不平衡電網(wǎng)電壓條件下，本文所提出的網(wǎng)側(cè)變流器的電流控制其基本方法是將不對稱系統(tǒng)分解成正負(fù)序?qū)ΨQ分量，在進行各自的d、q軸解耦控制，即所謂的正負(fù)序雙dq電流控制[5].

1.1 網(wǎng)側(cè)變流器運行不平衡分析

永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的全功率變流器的網(wǎng)側(cè)變流器等效電路圖如圖1所示.針對電網(wǎng)不對稱故障，我們采用對稱向量分解法，將電網(wǎng)系統(tǒng)分解為三組對稱的正序、負(fù)序和零序三相系統(tǒng)進行分析.由于永磁直驅(qū)風(fēng)電機組變流器與電網(wǎng)的連接采用的是三相三線制，所以零序電壓的作用可以暫不考慮，則在dp軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)，電網(wǎng)不平衡電動勢Es可表示為：

ES=(Edp+jEqp)ejwt+(EdN+jEqN)e-jwt

式中第一項是沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的電網(wǎng)電動勢的正序分量，第二項是沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的電網(wǎng)電動勢的負(fù)序分量[6].

圖1 網(wǎng)側(cè)PWM變流器等效電路圖

那么在不平衡電網(wǎng)電壓條件下，網(wǎng)側(cè)變流器在正負(fù)序旋轉(zhuǎn)d、q軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：Igdp、Igqp為正序交流側(cè)電流d、q軸分量；IgdN、IgqN為負(fù)序交流側(cè)電流d、q軸分量；R、L為并網(wǎng)電抗器的電阻和電感；Ugdp、Ugqp、UgdN、UgqN分別為正序和負(fù)序網(wǎng)側(cè)變流器端口電壓的d、q軸分量；Edp、Eqp、EdN、EqN分別為正序和負(fù)序電網(wǎng)電壓的d、q軸分量.

1.2 不平衡電網(wǎng)電壓條件下的常規(guī)控制

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡的電網(wǎng)電壓故障時，永磁直驅(qū)風(fēng)電機組變流器輸送到電網(wǎng)的功率為：

S=(Edqpejwt+EdqNe-jwt)(Idqpejwt+IdqNe-jwt)

(2)

式中右邊第一項為電網(wǎng)不平衡電動勢Es，第二項為饋入電網(wǎng)的交流側(cè)電流矢量.那么可知，變流器饋入電網(wǎng)的電能有功功率P和無功功率Q分別為：

(3)

其中，P0和Q0分別是網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)電能的有功功率直流分量和無功功率直流分量，PC2、PS2分別是網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)電能的二次諧波有功功率的正余弦分量，QC2、QS2分別是網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)電能的二次諧波無功功率的正余弦分量[6].

(4)

對變流器應(yīng)用基爾霍夫電流定律可得：

(5)

其中PS是同步發(fā)電機傳入到機側(cè)變流器的有功功率瞬時值，PC是網(wǎng)側(cè)變流器端口輸出的有功功率瞬時值，Udc是直流母線電壓，C是直流母線電容.

傳統(tǒng)控制限于技術(shù)不成熟等原因，在實際計算中不計并網(wǎng)電抗器對輸出功率的影響，令PC=P，則將(3)式帶入(5)式可得：

(6)

由(6)式可知，若要保持直流側(cè)電容電壓Udc穩(wěn)定無二倍頻波動，則可通過控制(4)式中的電流分量IgdP、IgdN、IgqP和IgqN，保證P0=PS，Pc2=0，Ps2=0而使Udc穩(wěn)定無二倍頻波動.

(7)

再加上系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)，Q0為0，則有Q0*=Pc2*=Ps2*=0，將其帶入(7)式，可得正、負(fù)序電流指令值為：

(8)

其中D=[(EdP)2+(Eqp)2]-[(EdN)2+(EqN)2].

1.3 并網(wǎng)電抗器對功率特性的影響簡單分析

永磁直驅(qū)風(fēng)電機組采用的是全功率變流器，其開關(guān)頻率一般較低，網(wǎng)側(cè)的并網(wǎng)電抗器的電感值比較大，并網(wǎng)電抗器上的功率波動將對輸出功率造成較大影響.在常規(guī)的雙電流環(huán)控制中，為了確保網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率無二倍頻波動，并網(wǎng)電抗器上的功率波動常常通過直流側(cè)的功率波動來抵消，但這樣會導(dǎo)致直流母線電容電壓產(chǎn)生一定的二倍頻波動，使直流母線電容承受一定的應(yīng)力.

而當(dāng)變流器工作于不平衡電網(wǎng)電壓狀態(tài)時，并網(wǎng)電抗器吸收的有功功率中含有二倍頻波動，那么在傳統(tǒng)控制下，網(wǎng)側(cè)變流器輸入到電網(wǎng)的有功功率無二倍頻波動與直流母線電壓的恒定無法同時實現(xiàn).所以在保持輸出無二倍頻波動的同時，我們要控制直流側(cè)電容所承受的應(yīng)力，加強在電網(wǎng)電壓不平衡時的直流穩(wěn)壓控制能力[2][7].

2 變流器加強型直流穩(wěn)壓控制策略

2.1 變流器網(wǎng)側(cè)和機側(cè)功率平衡控制

當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡時，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機的工作狀態(tài)會因電網(wǎng)電壓的變化而發(fā)生突變，引起機側(cè)變流器的輸出瞬時功率發(fā)生突變，從而導(dǎo)致直流母線電壓波動.為了減輕機側(cè)輸出功率瞬變對直流母線電壓波動的影響，我們將機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的控制總體考慮，將機側(cè)輸出有功功率引入網(wǎng)側(cè)變流器的控制中，網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率可隨機側(cè)有功功率的變化而調(diào)整，避免引起直流母線兩端的“有功不平衡”問題，從而減輕直流母線電壓的波動[2][4].

將式(5)變形可知：

(9)

則可得：

(10)

式中，Usd和Usq為d、q軸定子電壓，Isd和Isq為d、q軸定子電流.那么在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將(UsdIsd+UsqIsq)/Udc作為反饋信息，引入電流環(huán)的前饋輸入中，與直流側(cè)電容電流Ic一起作為網(wǎng)側(cè)電流正序分量的給定值Igdp，其控制回路圖如圖4所示.

2.2 負(fù)序電流控制要求

在保證網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)的有功功率不受二倍頻諧波影響下，要實現(xiàn)變流器直流母線的穩(wěn)壓控制，需要解決的問題就是消除網(wǎng)側(cè)變流器端口輸出的二倍頻的有功功率諧波分量，則：

(11)

其中Pc2和Ps2為網(wǎng)側(cè)變流器饋入電網(wǎng)的二倍頻有功功率的諧波分量，ΔPc2和ΔPs2為并網(wǎng)電抗器吸收的有功功率的余弦、正弦分量. 由參考文獻[5]可知：

(12)

將(4)和(12)式代入(11)式，忽略負(fù)序電流的q軸分量，化簡可知：

(13)

由(13)式可得負(fù)序電流指令值為：

(14)

這種控制算法簡單，避免了復(fù)雜高階矩陣的相關(guān)運算，其中正序電流的d軸分量由變流器的電壓外環(huán)給定，正序電流的q軸分量由平均無功功率計算得出.

2.3 電量正負(fù)序分離及鎖相環(huán)

電網(wǎng)電壓不平衡時，由于負(fù)序分量的產(chǎn)生，直接將電壓電流分量進行Park變換，會引起dq坐標(biāo)系下的電壓電流分量含有2倍頻分量.本文利用T/4延時法在αβ兩相靜止坐標(biāo)系下分離出電壓電流的正負(fù)序分量，然后利用SPLL鎖相環(huán)得到的相角將電壓電流信號從αβ坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系[10].以電網(wǎng)電壓為例，可得：

(15)

而且：

(16)

(17)

式中：T表示電網(wǎng)周期，T(θp)和T(θn)分別表示正負(fù)序αβ坐標(biāo)系到正負(fù)序dq坐標(biāo)系的變換矩陣；而θp和θn通過鎖相環(huán)(SPLL)得到，鎖頻環(huán)原理圖如圖2所示.

圖2 正負(fù)序電壓鎖相(SPLL)原理圖

圖3 電網(wǎng)不平衡時網(wǎng)側(cè)電流控制框圖

3 仿真驗證

為驗證不平衡電網(wǎng)條件下永磁直驅(qū)風(fēng)電機組變流器加強型直流穩(wěn)壓控制策略的有效性，本文用matlab/simulink構(gòu)建一臺2 MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機組仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.

表1 變流器系統(tǒng)仿真參數(shù)表

在仿真模型中，變流器網(wǎng)側(cè)和機側(cè)輸出功率達(dá)到額定功率，并穩(wěn)定運行在額定功率時，通過模擬電網(wǎng)電壓小值不平衡，來驗證該控制策略的可行性.從0.3 s時開始變流器輸出功率穩(wěn)定在額定值，假定在0.5 s時電網(wǎng)連接點發(fā)生一相接地故障，產(chǎn)生小值不平衡電網(wǎng)電壓，待100 ms后再恢復(fù)正常電網(wǎng)電壓狀態(tài)，那么在傳統(tǒng)控制策略下，仿真結(jié)果如圖4所示，直流母線電壓Udc出現(xiàn)一定的2倍頻諧波振動，而且饋入電網(wǎng)的有功功率P在不平衡電網(wǎng)電壓條件下也有較大的二倍頻諧波.

圖4 電網(wǎng)電壓不平衡時傳統(tǒng)控制模型仿真結(jié)果

加強型直流穩(wěn)壓控制策略下的仿真結(jié)果如圖5所示，由于實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變流器輸出端口的有功功率不含二倍頻諧波分量，從而保證了變流器饋入到電網(wǎng)的有功功率不受二倍頻諧波影響和直流母線電壓的穩(wěn)壓控制.

但是如圖6所示，該控制策略在有效控制“有功不平衡”和直流母線電壓波動問題的同時，也帶來了饋入電網(wǎng)的電流不平衡增加，所以該領(lǐng)域仍有改進空間.

圖6 電網(wǎng)故障時不同控制策略的并網(wǎng)電流局部放大圖

4 總 結(jié)

針對永磁直驅(qū)風(fēng)電機組并網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡的問題，本文提出了不同以往的加強型直流母線電壓控制策略.這種控制策略考慮了并網(wǎng)電抗器對變流器輸出的功率影響，控制算法簡單，通過對變流器機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率平衡控制和并網(wǎng)電抗器的控制，實現(xiàn)變流器直流母線的穩(wěn)壓控制，對改善永磁直驅(qū)風(fēng)電機組輸出電能質(zhì)量和在電網(wǎng)不平衡故障下的安全穩(wěn)定運行具有積極作用.通過仿真驗證了該控制方案的正確性和可行性.

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Study on Better Full-power Converter's DC Regulator of Wind Power Generation System

CHEN Xiao-lei, SHI Xiao-rong，YANG Yue-long

(College of Elect.and Information,Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

Now the research of wind turbine on the grid pauct mainly focuses on symmetrical fault. This essay mainly studies the wind turbine failure through technology in the small values of the grid voltage. On the basis of traditional grid voltage about directional voltage and current double closed loop,we use a new control strategy that is based on the principle of power balance. It puts the output active power changing information into d-axis control loop which is produced by the permanent magnet synchronous generator. Then it can let grid side converter into active grid with tracking the permanent magnet synchronous generator output active power changes. Accordingly it solves the converter input and output active imbalances and avoids the fluctuations in the DC bus voltage.

asymmetrical fault; power balance; grid side converter; fluctuation

2014-10-25

湖南省科技計劃項目(2012GK3080)；湖南省科技計劃重點項目(2013XK4013)；湘潭市科技計劃重點項目(ZD20141002，CG20131001).

陳曉雷(1987-), 男，碩士研究生，研究方向:大功率風(fēng)電變流器的控制策略.

TM614

A

1671-119X(2015)01-0010-06