基于模式切換的永磁同步風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略

鐘誠，魏來，嚴干貴

(東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市 132012)

基于模式切換的永磁同步風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略

鐘誠，魏來，嚴干貴

(東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市 132012)

隨著風電機組安裝容量的不斷上升，風電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下的穩(wěn)定運行尤為重要，電網(wǎng)導則要求風電機組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落一定范圍內(nèi)不脫網(wǎng)運行，具備低電壓穿越能力(low-voltage ride-through，LVRT)。對于永磁同步風力發(fā)電機(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機組，快速控制直流電容電壓是實現(xiàn)低電壓穿越的關鍵。文章采用一種基于模式切換的PMSG機組低電壓穿越控制策略，該策略在電網(wǎng)電壓正常和故障時進行控制模式切換，選擇網(wǎng)側(cè)變流器或機側(cè)變流器來控制直流電容電壓。另外，為加快直流母線控制速度，提出了一種改進前饋方法，加快了控制速度，降低了直流母線電壓的峰值。仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。

永磁同步風力發(fā)電機(PMSG)；低電壓穿越(LVRT)；模式切換控制；改進前饋

0 引 言

對于永磁同步風力發(fā)電機(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機組而言，實現(xiàn)低電壓穿越(low-voltage ride-through，LVRT)的關鍵是如何快速平衡電網(wǎng)電壓跌落期間失配能量，防止直流電容電壓越限[1-3]。目前，針對該問題的方法大致可分2類：(1)增加輔助硬件，如增加crowbar電路[4]、直流側(cè)儲能[5]或者網(wǎng)側(cè)無功補償[6]等外加設備，該類方法的缺點是增加了投資成本；(2)通過修改風電機組控制策略，利用風輪機自身慣性來存儲失配能量，這類方法無須增加額外的硬件，得到了廣泛研究。

文獻[7-8]依據(jù)并網(wǎng)點電壓跌落深度減小機側(cè)有功功率，來防止直流電容電壓越限，其缺點是當電網(wǎng)電壓深度跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器可能同時工作在電流控制模式，失去對直流電容電壓控制。文獻[9-10]提出采用網(wǎng)側(cè)變流器控制機側(cè)轉(zhuǎn)速，機側(cè)變流器控制直流電容電壓的控制策略。文獻[11]提出一種模式切換控制策略，當電網(wǎng)電壓正常時，網(wǎng)側(cè)變流器控制直流電容電壓，機側(cè)變流器控制機側(cè)轉(zhuǎn)速；而電網(wǎng)電壓跌落時，切換為網(wǎng)側(cè)變流器控制并網(wǎng)功率，機側(cè)變流器控制直流母線電壓模式。

另一方面，加快直流電壓控制速度也有助于提高PMSG機組LVRT能力，文獻[12-13]將機側(cè)有功功率作為網(wǎng)側(cè)變流器電流控制內(nèi)環(huán)的前饋，但受內(nèi)環(huán)控制器帶寬限制，無法實現(xiàn)單位前饋[2]。故文獻[3]提出在機側(cè)功率前饋通道中增加前饋補償函數(shù)，改善補償效果，但是文獻[3]同時指出電流內(nèi)環(huán)控制器為比例積分(proportional integral，PI)時，補償函數(shù)將較為復雜，而且難以實現(xiàn)。文獻[14]采用基于機側(cè)功率預測的前饋控制，但前饋量計算較復雜。

本文在基于文獻[11]的模式切換控制結(jié)構(gòu)上，提出一種基于改進的前饋控制策略，繞開電流內(nèi)環(huán)控制器，避免內(nèi)環(huán)控制器帶寬的影響。仿真對比驗證本文控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)模型

PMSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。PMSG系統(tǒng)包含風輪機、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、直流鏈電容、網(wǎng)側(cè)變流器、并網(wǎng)電感、理想電網(wǎng)。

圖1 PMSG系統(tǒng)框圖

圖1中：usa、usb、usc、isa、isb、isc分別為PMSG定子側(cè)的三相電壓和電流；idc,s和idc,g分別為機側(cè)直流電流和網(wǎng)側(cè)直流電流；ic和udc分別為直流電容電流和電壓；uga、ugb、ugc分別為網(wǎng)側(cè)變流器三相輸出電壓；ega、egb、egc、iga、igb、igc分別為電網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流。

在機側(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈定向旋轉(zhuǎn)dq坐標系下，忽略定子電阻，永磁同步發(fā)電機的定子電流數(shù)學方程[2]為：

(1)

(2)

式中：Ls為等效同步電抗；ωs為轉(zhuǎn)子角頻率；usd、usq、isd、isq分別為機側(cè)定子電壓和定子電流的d軸和q軸分量；esq為發(fā)電機內(nèi)電勢。

電網(wǎng)電壓矢量定向旋轉(zhuǎn)坐標系下，網(wǎng)側(cè)電流的數(shù)學方程為：

(3)

(4)

式中：Lg為網(wǎng)側(cè)電感；ωg為電網(wǎng)角頻率；igd、igq分別為電網(wǎng)側(cè)電流的d軸和q軸分量；egd、egq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓的d軸和q軸分量；ugd、ugq分別為電網(wǎng)側(cè)輸出電壓的d軸和q軸分量。

當同步旋轉(zhuǎn)坐標系與電網(wǎng)a相電壓對齊時，egq=0，則并網(wǎng)有功瞬時功率Pg的計算公式為

(5)

機側(cè)有功功率Ps的計算公式為

(6)

依據(jù)基爾霍夫節(jié)點電流定律，則ic=idc,s-idc,g。另外，忽略變流器損耗，則idc,s=Ps/udc，idc,g=Pg/udc。因此，

(7)

(8)

(9)

直流電容電流ic的大小取決于機側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率差值。快速控制機側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率的平衡，可以減小直流母線電壓的波動。

2 改進前饋控制方法

為了避免控制內(nèi)環(huán)電流控制器帶寬對前饋補償?shù)挠绊?，本文基本思路是將前饋點從電流內(nèi)環(huán)輸入節(jié)點(a)點[3,12-13]后移到輸出節(jié)點(b)點，如圖2所示。

圖2 改進前饋控制框圖

將機側(cè)直流側(cè)電流idc,s依然作為擾動量，假定前饋補償函數(shù)為F(s)，則從節(jié)點(d)到節(jié)點(c)的傳遞函數(shù)為

(10)

為實現(xiàn)單位反饋，即D(s)=1，則易知F(s)為

(11)

(12)

(13)

式(13)中包含微分項disq/dt，如果采用數(shù)值微分方法實現(xiàn)，較為復雜[13]。注意到式(2)中包含disq/dt項，將式(2)代入式(13)，得

(14)

3 PMSG低電壓穿越控制策略

本文提出的PMSG低電壓穿越控制策略如圖3所示。

圖3中，風機側(cè)采用基于磁場定向下的dq解耦控制，而電網(wǎng)側(cè)采用基于電壓矢量定向下的dq解耦控制策略?？刂撇呗苑殖?種模式：(1)電網(wǎng)電壓的正常狀態(tài)；(2)電網(wǎng)電壓跌落狀態(tài)。

依據(jù)第2節(jié)所述，為了加快直流電容電壓控制速度，正常電網(wǎng)電壓模式下，將式(14)作為前饋疊加在網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)d軸電流控制器的輸出端。

相似的，在故障電網(wǎng)電壓模式下，將式(15)疊加在機側(cè)變流器內(nèi)環(huán)q軸電流控制器的輸出端。

(15)

當電網(wǎng)電壓跌落時，直流電容電壓始終存在閉環(huán)控制，通過減小機側(cè)有功電流isq，來避免直流電容電壓越限。

圖3 PMSG低電壓穿越控制策略框圖

需要指出，本文提出的模式切換只是外環(huán)之間的切換，而內(nèi)環(huán)控制始終維持不變，這意味著當控制模式切換時，只是內(nèi)環(huán)參考值發(fā)生變化，即等價于內(nèi)環(huán)參考值出現(xiàn)突變。而并網(wǎng)逆變器電流內(nèi)環(huán)控制器的穩(wěn)定性已有相關文獻進行分析[15]。

4 仿真研究

為了驗證本文方法的有效性，搭建了仿真模型，模型參數(shù)如表1所示。

考慮風速突變和電網(wǎng)深度跌落2種情況進行分析，同時為了對比，同時采用本文的改進前饋方法和傳統(tǒng)有功功率前饋方法進行仿真。

4.1 風速變化仿真分析

表1 PMSG系統(tǒng)參數(shù)

Table 1 Parameters of PMSG system

對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，采用改進前饋控制后，網(wǎng)側(cè)有功電流能夠更加快速地跟蹤機側(cè)有功電流，傳統(tǒng)前饋方法的直流母線電壓最大峰值為 1 300 V，而改進前饋方法最大峰值僅為 1 218 V，直流母線電壓峰值明顯減少。

圖4 風速擾動時PMSG系統(tǒng)仿真波形

但需注意到，由于式(13)中存在微分項，相比于圖4(a)，圖4(b)中的直流電壓和網(wǎng)側(cè)電流都存在更為明顯的脈動分量。

4.2 電網(wǎng)深度電壓跌落

設計并網(wǎng)點電壓在1 s時，跌落為0.2 pu，并持續(xù)600 ms。

依據(jù)我國2011年頒布的《風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[16]，電壓跌落期間，并網(wǎng)點電壓每跌落1%須向電網(wǎng)提供2%額定電流數(shù)值的無功電流[16]，如式(16)所示。

(16)

式中：IN為變流器額定電流；UT為并網(wǎng)點額定電壓。

當電網(wǎng)電壓跌落為0.2 pu時，網(wǎng)側(cè)變流器需要向電網(wǎng)提供1 pu的無功電流。而通常變流器短時電流上限為1.1 pu[17]，易知，此情景下網(wǎng)側(cè)變流器有功電流上限為0.458 pu，仿真波形如圖5所示。

由圖5可知，在1 s電壓跌落時，受電壓跌落的影響，網(wǎng)側(cè)逆變器進行模型切換，網(wǎng)側(cè)輸出給定有功和無功電流，機側(cè)變流器控制直流母線電壓。圖5(a)中，受PI控制器帶寬的影響，直流母線電壓udc峰值為 1 340 V。1.6 s時電壓恢復，udc峰值達到1 350 V，已經(jīng)威脅機組的安全運行。圖5(b)中，電網(wǎng)電壓跌落時刻的udc峰值為1 230 V，而恢復期間的最大電壓峰值為1 250 V。得益于改進前饋方法，系統(tǒng)能夠更快地控制直流電容電壓，減小暫態(tài)峰值。

在電壓跌落期間，由于減小了機側(cè)的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)上升。當電網(wǎng)恢復后，系統(tǒng)重新恢復轉(zhuǎn)速控制，受直流母線電壓波動影響，圖5(a)轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過0.6 s才重新跟蹤參考值，而圖5(b)只需0.45 s。

另外注意到，1 s電壓跌落瞬間，網(wǎng)側(cè)電流存在約1.1 pu的瞬時尖峰。這是由于受控制器單位延遲的影響，網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓為前一個控制周期的值，而并網(wǎng)點電壓突變到0.2 pu，并網(wǎng)電感兩端出現(xiàn)較大的電壓差。

圖5 電壓跌落時PMSG系統(tǒng)仿真波形

5 結(jié) 論

(1)采用模式切換實現(xiàn)PMSG機組在電網(wǎng)電壓深度跌落下的直流電容閉環(huán)電壓控制，在此基礎上提出改進的前饋補償方法，加快直流電容電壓控制速度。

(2)本文方法在風速突變和電壓深度跌落時，減小直流電壓的暫態(tài)峰值，提高了PMSG風電機組低電壓穿越能力。

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(編輯 景賀峰)

Low Voltage Ride-through Control Strategy for PMSG Based on Control Mode Switch

ZHONG Cheng, WEI Lai,YAN Gangui

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

With the increase of installed capacity of wind farm, the operation stability of wind power system during grid disturbances becomes important. Grid codes require that wind power system stays connected to the grid during voltage dips for a certain period, with the ability of low-voltage ride-through (LVRT). For permanent magnet synchronous generator (PMSG), the key to improve the ability of LVRT is that fast control DC-Link voltage when grid-voltage dips. This paper proposes a LVRT control strategy for PMSG unit based on control mode switch. The strategy changes the control mode between in normal and fault of grid-voltage, and adopts the grid-side converter or generator-side converter to control the DC-Link voltage respectively. In addition, this paper proposes an improved feed-forward method to speed up the DC bus control, which can accelerate the speed control and reduce the peak value of the DC bus voltage. The simulation results validate the effectiveness of the proposed strategy.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); low-voltage ride-through (LVRT); mode switch control; improved feed-forward

國家自然科學基金項目(51277024)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0068-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.009

2016-08-26

鐘誠(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向為新能源柔性并網(wǎng)技術(shù)、電力電子化電網(wǎng)穩(wěn)定分析與控制；

魏來(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網(wǎng)安全運行與穩(wěn)定控制；

嚴干貴(1971)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為大規(guī)模新能源并網(wǎng)技術(shù)、風電柔性消納技術(shù)。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51277024)