提高PMSG低電壓穿越能力的控制策略研究

摘 要：為提高對稱故障下永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，在機側(cè)變流器控制中，提出將網(wǎng)側(cè)輸出功率替換成發(fā)電機輸出有功功率，作為機側(cè)變流器的功率外環(huán)給定值；提出將反映PMSG輸出瞬時有功功率的變化量作為前饋補償量，與直流側(cè)電壓差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的輸出值疊加，作為網(wǎng)側(cè)變換器電流內(nèi)環(huán)d軸電流給定值。該改進的控制方法能快速跟蹤機側(cè)功率的變化，實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變換器輸出有功功率與發(fā)電機輸出有功基本平衡，抑制直流側(cè)電壓的波動。

關(guān)鍵詞：低電壓穿越；永磁同步發(fā)電機；直流側(cè)電壓

引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，其蘊藏量豐富，分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大[1]。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)通過全功率變流器與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)隔離[2]，電機側(cè)變流器控制PMSG的功率和轉(zhuǎn)速，電網(wǎng)側(cè)變流器控制網(wǎng)側(cè)功率因素和直流側(cè)電壓，使永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)相對其他系統(tǒng)而言，更容易實現(xiàn)低風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越（LVRT）。風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動引起風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時[3-5]，為保持輸出功率平衡，將增大網(wǎng)側(cè)變流器的輸出電流，一旦達到器件限流值，功率輸出將會受限，導(dǎo)致發(fā)電機功率未能及時送出，使得剩余能量對母線電容進行充電，進而引起母線電壓驟然上升，引起直流側(cè)的2倍頻波動[6]，威脅器件安全，影響電能質(zhì)量。

1 PMSG風(fēng)電機組的控制策略

圖1為永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)采用背靠背全功率變流器，將發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)進行隔離。機側(cè)變流器實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲控制，網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定及單位功率因素并網(wǎng)控制。

2 故障時變流器的控制策略

對機側(cè)變流器控制的目的主要是實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲[7]。但風(fēng)速具有隨機性，當(dāng)風(fēng)速不在額定風(fēng)速時，需控制變流器來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到當(dāng)前風(fēng)速對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，保證葉尖速比，實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。

圖2為機側(cè)變流器控制框圖，采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，直接將永磁同步發(fā)電機的輸出功率Pm替換成網(wǎng)側(cè)輸出功率Pg，作為功率反饋值。電網(wǎng)電壓正常時，由最大風(fēng)能捕獲控制算法，得到實時最大功率Popt，作為機側(cè)功率外環(huán)給定值Pmref；一旦電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，為平衡直流母線電壓，根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器所允許輸出電壓幅值和有功電流的最大值igmax，計算網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的最大值Pgmax，通過比較Popt和Pgmax的值，取較小者作為功率外環(huán)的給定值Pmref。功率外環(huán)給定與變流器網(wǎng)側(cè)輸出功率差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，得到有功電流給定值。經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)控制后，得到dq軸控制電壓，依據(jù)電機轉(zhuǎn)子電角度進行坐標(biāo)變換，經(jīng)過PWM發(fā)生單元轉(zhuǎn)換為驅(qū)動脈沖，控制電機側(cè)變流器功率器件的導(dǎo)通與判斷，實現(xiàn)對PMSG的控制，從而達到根據(jù)電網(wǎng)電壓狀態(tài)控制PMSG輸出功率的目的。

3 系統(tǒng)仿真驗證

基于matlab/simulink搭建了PMSG系統(tǒng)仿真模型，對改進的控制策略實現(xiàn)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越情況進行仿真。仿真參數(shù)如下：永磁同步發(fā)電機額定功率2MW，極對數(shù)為30，直軸、交軸電感為1.5mH；輸出線電壓有效值為690V，直流側(cè)額定電壓值為1200V，直流側(cè)電容容量為10mF，開關(guān)頻率10KHZ。

圖3為采用改進控制策略和采用文獻[8]所提及的crowbar保護電路兩種方法的仿真對比圖，電網(wǎng)故障時間為0.625s，跌落深度80%，仿真時間3s。淺色和深色分別表示crowbar保護電路仿真圖形和改進控制策略仿真圖形。

分析圖a、圖b可知，電壓跌落期間，采用兩種方案其網(wǎng)側(cè)電流波形和網(wǎng)側(cè)無功功率波形基本相似，只是采用crowbar保護電路方案，其無功波動幅度較大，有明顯的向上波動；改進的控制策略，使直流側(cè)電壓只在跌落發(fā)生和消失兩端各自出現(xiàn)小的波動，之后迅速穩(wěn)定在額定值，相比于采用crowbar保護電路，直流側(cè)電壓波動小，更平穩(wěn)。整個仿真過程，并網(wǎng)有功功率的輸出除了在故障發(fā)生和消失時出現(xiàn)峰值，其余時刻基本保持恒定輸出。

4 結(jié)束語

文章研究對稱故障下永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，分析了全功率變流器的作用，提出一種改進的控制策略：將網(wǎng)側(cè)輸出功率替換成發(fā)電機輸出有功功率，作為機側(cè)變流器的功率外環(huán)給定值；將反映PMSG輸出瞬時有功功率的變化量作為前饋補償量，與直流側(cè)電壓差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)并基于MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，對比分析該控制策略與采用crowbar保護電路方案的效果，仿真結(jié)果表明：改進的控制方法能快速跟蹤機側(cè)功率的變化，實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變換器輸出有功功率與發(fā)電機輸出有功基本平衡，抑制直流側(cè)電壓波動。

參考文獻

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