永磁電機(jī)低電壓穿越的協(xié)調(diào)控制策略研究

張召鵬

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130012)

0 引言

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)點的電壓瞬時跌落故障是占風(fēng)電工程故障比重較大的一類[1]。發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時,如果不加以控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動拖網(wǎng)，則會導(dǎo)致大面積停電甚至有可能使局部電網(wǎng)癱瘓[2]，因此，各國相繼提出了很嚴(yán)格的故障穿越標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，要求系統(tǒng)不脫網(wǎng)運行，甚至風(fēng)電場還應(yīng)具有一定的無功補(bǔ)償能力，能夠在電網(wǎng)發(fā)生故障時按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的時間要求進(jìn)行并網(wǎng)運行[3-4]。國內(nèi)外的研究學(xué)者針對如何實現(xiàn)同步永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(permanent magnetic synchronous generator，PMSG)的低電壓穿越(low-voltage ride through,LVRT)問題提出了各自的控制思路及控制策略，但都是解決部分問題，如穩(wěn)定直流母線電壓或是用一般的控制算法解決單一的電壓問題[5-6]；而現(xiàn)實中電壓故障復(fù)雜多樣，需要一種全新的控制策略來應(yīng)對。本文旨在合理地運用PMSG的優(yōu)勢，設(shè)計一種能夠確保PMSG持續(xù)聯(lián)網(wǎng)運行的LVRT方案，并能在電網(wǎng)電壓跌落時，做出準(zhǔn)確快速反應(yīng)。對PMSG LVRT技術(shù)的研究具有重大意義，它能夠促進(jìn)風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，同時能改善風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)的運行性能[7]。

1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障運行特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行時由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生電壓、頻率不穩(wěn)定的交流電，電流在經(jīng)過全功率變流器后，頻率將固定在50 Hz,幅值固定的三相電饋入電網(wǎng)[8]。能量流動圖如圖1所示。

圖1 直流側(cè)兩端的等效電路 Fig.1 Equivalent circuits at both ends of the DC side

在abc三相坐標(biāo)系下，將注入電網(wǎng)的有功功率表示為

Pg=uaia+ubib+ucic=udcig

(1)

式中：ua、ub、uc為電網(wǎng)三相電壓的瞬時值；ia、ib、ic為三相電流瞬時值；udc和ig分別為直流側(cè)電壓和電流。為實現(xiàn)解耦控制，將式(1)變換到dq坐標(biāo)系下，有

(2)

式中ugd、ugq和igd、igq分別為電網(wǎng)測的電壓和電流，d、q表示軸分量。

假設(shè)電網(wǎng)電壓與d軸電壓重合，則d軸和q軸的電壓分量分別為ugd=ug,ugq=0,此時注入電網(wǎng)的有功功率可簡寫為

(3)

機(jī)側(cè)輸出的有功功率在dq坐標(biāo)系下表示為

Ps=usdisd+usqisq=udcis

(4)

式中：is為機(jī)側(cè)電流；isd、isq為變換到dq軸的電流；usd、usq為變換到dq軸的機(jī)側(cè)電壓。

當(dāng)電網(wǎng)正常工作時，直流母線電壓穩(wěn)定，注入電網(wǎng)的功率等于發(fā)電機(jī)輸出的功率；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電壓會突然跌落，使Pg瞬間減小，而由于風(fēng)能未發(fā)生變化，所以機(jī)械功率不變，輸出的機(jī)側(cè)功率Ps不變，這樣會使直流電容兩側(cè)的功率不平衡，此時產(chǎn)生的差值公式為

(5)

式中C為中間直流側(cè)的電容容量。

這部分產(chǎn)生的能量ΔP將對直流電容直接充電，累積在電容上的能量使其兩端電壓迅速升高。當(dāng)電壓值超出限值則導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)拖網(wǎng)，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊[9]。

根據(jù)已有的保護(hù)策略，設(shè)計一種基于網(wǎng)側(cè)雙二階廣義積分提取正負(fù)序快速檢測的方法，將網(wǎng)側(cè)逆變器無功補(bǔ)償配合卸荷電路協(xié)調(diào)控制策略?？刂撇呗詾椋菏紫壤秒p二階廣義積分快速地檢測電網(wǎng)側(cè)電壓故障，快速精確判斷故障類型，并得出需補(bǔ)償?shù)臒o功功率大??；然后通過PI調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)逆變器與卸荷電阻的不同切入閾值，達(dá)到互相配合的目的，網(wǎng)側(cè)逆變器可進(jìn)行無功補(bǔ)償，多余的電能通過投切卸荷電路來釋放，從而實現(xiàn)電網(wǎng)故障的LVRT。

2 基于卸荷電路的直流制動系統(tǒng)控制策略

依照我國對風(fēng)電系統(tǒng)LVRT的要求，需要保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落后的一段時間保持系統(tǒng)不脫網(wǎng)運行[10]。按照第1節(jié)敘述則需及時將電容的電荷迅速卸掉，同時控制網(wǎng)側(cè)逆變器，對系統(tǒng)進(jìn)行一定的無功補(bǔ)償，以聯(lián)合協(xié)調(diào)控制的方法實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的LVRT運行。

圖2是卸荷保護(hù)電路的控制原理圖：系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，卸荷電路不工作；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，從整流側(cè)輸入的有功功率Ps與風(fēng)力機(jī)吸收的功率成正比，不會突變；但是經(jīng)過逆變側(cè)饋入電網(wǎng)的功率由于故障會驟減，從而產(chǎn)生不平衡功率ΔP。當(dāng)ΔP大小超過閾值ΔPt時，ΔP經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器控制脈寬調(diào)節(jié)器的輸出信號，投入卸荷電路釋放該部分不平衡功率。在PI調(diào)節(jié)器里設(shè)置一個滯環(huán)，使ΔP在臨界點時不會頻繁地輸出動作信號，以起到減少投切動作，減少設(shè)備損耗及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。

圖2 卸荷電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of unloading circuit

3 鎖相及正負(fù)序電壓提取

正常運行時，網(wǎng)側(cè)逆變器是將電容兩側(cè)直流電逆變成與電網(wǎng)相位、幅值相同的三相電并入電網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)點電壓瞬間跌落時，電網(wǎng)側(cè)會瞬間產(chǎn)生大量無功功率，此時除了投入卸荷電路之外，還需要網(wǎng)側(cè)逆變器發(fā)出一定的無功功率實現(xiàn)無功補(bǔ)償[11]。按照LVRT要求，逆變器發(fā)出無功功率必須反應(yīng)迅速，為實現(xiàn)逆變器準(zhǔn)確動作，提出一種基于雙二階廣義積分的鎖相環(huán)技術(shù)，用于并網(wǎng)點的電壓檢測。

常規(guī)控制策略中的電壓鎖相是應(yīng)用于電網(wǎng)電壓平衡狀態(tài)下，當(dāng)電動勢出現(xiàn)不平衡時存在致命的缺陷[12]?；陔p二階廣義積分的鎖相環(huán)實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的鎖相，檢測出不對稱電網(wǎng)電壓中的正序和負(fù)序分量。其中鎖頻環(huán)的暫態(tài)對稱分量是由基于二階廣義積分器的自適應(yīng)濾波器獲得，根據(jù)如下變化式：

(6)

將不對稱電壓向量uabc分解為瞬時正序、負(fù)序和零序分量：

式中：T為矩陣變換量；a為瞬時正弦輸入信號中加入基波頻率的相移，它等值為120°相移，是Fortescue算子的特殊形式。對三相并網(wǎng)變換器的研究主要集中在電壓正序和負(fù)序分量的控制上，uabc中的各序分量通過如下變換矩陣：

(10)

變換為

(11)

(12)

應(yīng)用變換逆矩陣[Tαβ]-1，有

(13)

最后，運算這些矩陣，可得到

u′α、u′β、qu′α和qu′β是輸入向量中α和β分量中的直軸和交軸信號，它們通過兩個二階廣義積分器-正交信號發(fā)生器產(chǎn)生[13-14]。以這些信號作為正/負(fù)序分量計算模塊PNSC的輸入信號，在αβ軸上各序分量的公式為式(13)、(14)。其中基頻正、負(fù)序分量通過PNSC解耦獲得，并應(yīng)用鎖相環(huán)檢測基頻正序分量的相位和頻率，最后通過雙二階廣義積分器獲得的從不對稱輸入電壓向量到正序分量的傳遞函數(shù)公式為

(16)

雙二階廣義積分器的三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在雙二階廣義積分解耦三相鎖相系統(tǒng)中的相位反饋環(huán)與頻率反饋環(huán)是相交錯的，這樣會使系統(tǒng)超調(diào)變大、穩(wěn)定時間過長[15-16]。由于電網(wǎng)相角沒有電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，所以選用鎖頻環(huán)代替鎖相環(huán)。

信號uα和uβ作為雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)系統(tǒng)的輸入，具有相同的頻率，而α和β信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻差信號是利用計算平均誤差信號的方法來合并：

(17)

式中：εf為合并頻差信號；εf(α)和εf(β)分別為α和β頻差信號。雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)實現(xiàn)了對α和β參考坐標(biāo)上三相電壓的對稱分量解耦估計和電網(wǎng)頻率的估計。該檢測控制算法可實現(xiàn)電網(wǎng)故障的快速、精確檢測，尤其針對電網(wǎng)側(cè)的不對稱故障，能在第一時間對故障做出判斷。

4 網(wǎng)側(cè)變流器的無功補(bǔ)償控制

圖3 雙二階廣義積分鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of bi-second-order generalized integral phase-locked loop

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生深度跌落時，電網(wǎng)側(cè)會產(chǎn)生大量的無功需求。對網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變流器采用的是定向dq軸的解耦控制，其中d軸和q軸分別為控制直流電壓及無功電流，所以可通過對q軸電流大小的調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的無功補(bǔ)償。

圖4 改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器控制原理圖Fig.4 Control schematic diagram ofimproved grid-side converter

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器工作在無功補(bǔ)償狀態(tài)，此時重新設(shè)定dq軸的電流參考值，通過電網(wǎng)電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器計算出用于無功補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鱥reactive。借助下式計算出電壓外環(huán)在無功補(bǔ)償時提供的最大有功電流iactive：

(18)

式中imax為網(wǎng)側(cè)變流器允許通過的最大電流值。邏輯判斷iactive與原有功電流參考值igdref的大小，如果iactive較大，則代表電壓外環(huán)的無功補(bǔ)償能力足夠穩(wěn)定直流電壓，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定；如果iactive較小，則代表電壓外環(huán)的無功補(bǔ)償能力無法穩(wěn)定直流電壓，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器控制投入卸荷電路，以消耗多余的無功功率。

提取網(wǎng)側(cè)正序電壓與額定電壓的90%對比。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器檢測到電網(wǎng)正序電壓低于額定電壓的90%時，延遲30 ms進(jìn)入LVRT，在LVRT期間無功電流優(yōu)先控制，網(wǎng)側(cè)變流器按照電壓跌落的深度發(fā)無功電流，以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，變流器延遲20 ms，退出LVRT運行模式。

LVRT期間無功電流控制方式如下：

ireactive=2(0.9-Upositive)IN

(19)

式中IN為風(fēng)電場額定電流。

電網(wǎng)電壓對稱跌落時，LVRT期間的無功電流波動范圍是[0，50%]；電網(wǎng)電壓不對稱跌落時，LVRT期間的無功電流波動范圍是[0，40%][17]。通過上述分析，改進(jìn)了網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略，使其能滿足當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生故障跌落時，及時提供無功補(bǔ)償并穩(wěn)定電源電壓的作用。改進(jìn)后網(wǎng)側(cè)變流器的控制原理如圖4所示。

5 優(yōu)化后LVRT控制策略仿真分析

故障工況：PMSG系統(tǒng)在實驗風(fēng)速(9.3 m/s)、電網(wǎng)中壓側(cè)電壓28.5 kV下運行，在1.5 s時電網(wǎng)發(fā)生三相對稱電壓跌落故障，故障持續(xù)時間為1.85 s，跌落深度為50%。

圖5 電壓跌落50%時傳統(tǒng)控制策略仿真波形圖Fig.5 Simulated waveform of traditional control strategy with 50% voltage sag

傳統(tǒng)控制策略下仿真圖形如圖5所示。在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)50%跌落故障時，風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)不脫網(wǎng)運行，實現(xiàn)了LVRT。但是從圖5可看出，電網(wǎng)電壓發(fā)生50%對稱跌落的故障期間，網(wǎng)側(cè)有功功率減少約46.09%，無功補(bǔ)償約27.57%，功率因數(shù)下降約9%，雖然理論上能實現(xiàn)LVRT，但并不能達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。依照吉林省電力科學(xué)研究院規(guī)定的三相電網(wǎng)電壓大功率對稱跌落的標(biāo)準(zhǔn)：在電網(wǎng)電壓跌落瞬間，網(wǎng)側(cè)有功功率會出現(xiàn)短暫的大幅度跌落(跌幅約達(dá)62.75%)，然后回復(fù)平穩(wěn)(跌幅約達(dá)52.94%)，而常規(guī)控制策略得到的有功曲線只停留在實驗結(jié)果，并不能真實有效地反映現(xiàn)實狀況。

采用本文控制理論的仿真結(jié)果如圖6所示。控制策略經(jīng)過改進(jìn)之后，相同電網(wǎng)故障期間網(wǎng)側(cè)有功功率減少約58.26%，無功補(bǔ)償約53.39%，功率因數(shù)下降約33%，有功無功參數(shù)已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，雖然損失些功率因數(shù)，但是能夠保證電網(wǎng)故障期間風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運行，并保障高質(zhì)量電能輸出。

針對風(fēng)電場實際運行中遇到的各種工況(包括大風(fēng)即大功率對稱及非對稱電壓跌落、小風(fēng)即小功率對稱及非對稱電壓跌落)，通過以上仿真及對比檢測可看到：在電網(wǎng)故障期間，直流電容上功率瞬間增大，導(dǎo)致直流母線電壓出現(xiàn)抬升，但波動值均在安全運行范圍之內(nèi)；網(wǎng)側(cè)有功功率因機(jī)網(wǎng)兩側(cè)功率不平衡而出現(xiàn)跌落，但是無論平均偏差還是最大偏差均在允許安全運行范圍之內(nèi)；網(wǎng)側(cè)無功功率在故障期間需要對電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償，以使電網(wǎng)電壓盡快回升而出現(xiàn)抬升，不僅提供了足夠的無功補(bǔ)償，而且無論平均偏差還是最大偏差均在允許安全運行范圍之內(nèi)。以上完全保障了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在故障期間實現(xiàn)LVRT，不脫網(wǎng)運行，避免了因電網(wǎng)故障而造成的直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)論

本文對PMSG機(jī)組的數(shù)學(xué)模型以及運行控制的方法進(jìn)行研究，通過分析機(jī)網(wǎng)兩側(cè)功率不平衡引起直流側(cè)電容電壓波動的原因與常規(guī)的直流制動控制策略，總結(jié)出PMSG機(jī)組的常規(guī)控制策略在實現(xiàn)LVRT過程中的優(yōu)點和不足。選擇了一種新的LVRT協(xié)調(diào)控制策略，即將卸荷電阻控制、鎖相控制、提取電網(wǎng)電壓正負(fù)序以及網(wǎng)側(cè)無功控制的綜合協(xié)調(diào)控制，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在低電壓故障期間的安全穿越，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與實用性。搭建仿真模型，解決了常規(guī)控制方法只能符合理論，實現(xiàn)低穿，卻不能并網(wǎng)發(fā)電的問題，驗證了新型的LVRT控制策略的有效性和優(yōu)越性。

圖6 電壓跌落50%時改進(jìn)型控制策略仿真波形圖Fig.6 Simulation waveform of improved control strategy when voltage drops by 50%