九開關型永磁同步風電系統(tǒng)運行控制研究

楊 帆，韓俊飛，胡宏彬，廉茂航，任永峰

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050071；2.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；3.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；4.內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051)

0 引 言

直驅式永磁同步發(fā)電機(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)具有效率高，可靠性高的優(yōu)點，近年來在并網(wǎng)型風電系統(tǒng)中發(fā)展迅速[1]。常規(guī)PMSG的定子通過雙脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)全功率變換器與電網(wǎng)相連，全功率變換器為背靠背式結構，由12個開關器件組成，所用器件數(shù)量多且結構較復雜。

九開關變換器(Nine Switch Converter，NSC)是傳統(tǒng)背靠背式變換器演變而來的新型拓撲結構。九開關變換器在雙路輸出控制系統(tǒng)[2-3]、集成車載充電器[4]等方面研究已取得一定的進展。文獻[5-6]分析了將NSC作為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，利用上、下通道實現(xiàn)并聯(lián)電流和串聯(lián)電壓補償?shù)墓δ?，實現(xiàn)治理電壓、電流諧波畸變等電能質(zhì)量問題，提高故障穿越能力。文獻[7-8]將傳統(tǒng)雙饋風電系統(tǒng)中的背靠背式變換器替換為NSC，可省去3個開關器件，取得與原系統(tǒng)相同的性能。文獻[9]將NSC替換常規(guī)雙饋風電系統(tǒng)中網(wǎng)側變流器，既不會造成NSC直流側電壓過高，同時可實現(xiàn)雙饋風機并網(wǎng)運行控制與電壓補償一體化。NSC通過復用中間開關器件方式工作，因此研究適用于NSC特殊的調(diào)制方法具有重要意義。文獻[10]采用正弦調(diào)制信號、三角載波通過邏輯運算產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號的調(diào)制方法。但NSC因其特殊的結構和正弦脈寬調(diào)制方法(Sine Wave Pulse Width Modulation，SPWM)，造成直流電壓利用率偏低，制約其發(fā)展。已有學者對提高NSC的直流電壓利用率進行研究，兩類方法各有特點又有不足之處：文獻[11]通過改進調(diào)制策略，采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，擴大了調(diào)制度的范圍，但該方法需要復雜的數(shù)學算法推導；文獻[12]在NSC前級串聯(lián)Z源，通過引入直通零矢量，調(diào)整其占空比，以提高直流電壓利用率，但串聯(lián)Z源使得變換器的結構更加復雜，增加系統(tǒng)的損耗，能量傳遞效率降低。文獻[13]闡述了SVPWM調(diào)制方式在宏觀實質(zhì)上可等效于SPWM調(diào)制波上疊加三次諧波。

1 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)結構

為減少變換器開關器件的數(shù)量，根據(jù)九開關變換器的結構特點，提出采用NSC替換傳統(tǒng)背靠背式變換器用于直驅永磁同步風電系統(tǒng)，實現(xiàn)風電并網(wǎng)運行。九開關型永磁同步風電系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。在圖1中，PMSG的定子與NSC中S4～S9構成的等效機側變換器直接相連，由S1～S6構成的等效網(wǎng)側變換器經(jīng)過升壓變壓器與電網(wǎng)相連。C為直流側電容，Rc為卸荷電阻，Lg和Rg分別為濾波電感、等效電阻，Cg和Rd分別為濾波電容、阻尼電阻。

圖1 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)拓撲結構

2 九開關變換器工作狀態(tài)及三次諧波注入

2.1 九開關工作狀態(tài)

由圖1中所示的九開關變換器拓撲結構，上、下通道通過復用中間開關器件S4～S6實現(xiàn)雙路輸入/輸出。以A相所在第一橋臂為例，由開關器件S1、S4、S7構成，上、下通道調(diào)制信號表示為

(1)

式中,UAH、UAL分別為上、下通道調(diào)制信號幅值，ω1、ω2分別為調(diào)制信號角頻率，由于電網(wǎng)頻率和PMSG定子頻率不同，即ω1≠ω2，本文采用異頻調(diào)制，φ1、φ2分別為調(diào)制信號初相位。為避免上、下通道調(diào)制信號有交叉，需要加入直流偏置量，以滿足uAH>uAL的條件[10]，可表示為

(2)

其中，UDC1=1-UAH，UDC2=1-UAL。

九開關變換器采用SPWM調(diào)制方式，將三角載波信號Ux與兩路正弦調(diào)制信號uAH、uAL進行比較得到上、下通道開關信號，而中間開關信號通過“異或”邏輯關系得到。NSC的第一橋臂調(diào)制狀態(tài)如表1所示。其中，P、N、Z分別表示開關模式，UH、UL表示H點、L點處的電位。

表1 九開關變換器調(diào)制狀態(tài)

由表1可知，上通道調(diào)制信號幅值大于下通道的調(diào)制信號，因此A相橋臂只有3種開關模式，分別以P、N、Z表示。

由于構成九開關變換器的三相橋臂之間相互獨立，彼此互不影響，則九開關變換器的開關模式共有33=27種。圖2展示出了27種開關模式。

圖2 九開關變換器27種開關模式

2.2 三次諧波注入

九開關變換器采用常規(guī)SPWM調(diào)制方式使得直流電壓利用率較低。為克服這一缺點，本文采用一種在三相正弦調(diào)制波疊加三次諧波的方法，將調(diào)制信號調(diào)制成馬鞍波，以擴大調(diào)制度范圍。由于系統(tǒng)無中線，零序分量對調(diào)制信號不會產(chǎn)生影響，既不引入復雜的控制算法，同時兼得輸出波形的質(zhì)量。

將諧波分量注入三相調(diào)制波，以上通道為例，其表達式為

(3)

式中,aUxH為三次諧波幅值。

將式(3)A相表達式改寫為[14]

uAH=UAHsin(ωt)[(1+3a)-4asin2(ωt)]

(4)

為了使調(diào)制信號幅值最大，對(ωt)求導，當

(5)

式(4)中uAH取極值，以最大值為例，將式(5)帶入式(4)，可得

(6)

對式(6)求導，可得a=1/6時，uAH取最大值。

由上述分析可知，當三次諧波的幅值為1/6的基波幅值時，可使調(diào)制波幅值最大。電網(wǎng)頻率50Hz，PMSG定子頻率10.3Hz，注入三次諧波后，正弦波調(diào)制為馬鞍波，擴大了調(diào)制度范圍，NSC的上、下通道三相調(diào)制信號波形如圖3所示。

圖3 NSC上、下通道調(diào)制波

3 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)控制策略

3.1 機側控制策略

由圖1所示，由S1～S6構成的等效機側變換器通過LC型濾波器與電網(wǎng)相連。機側控制策略以精確的PMSG數(shù)學模型為基礎。采用轉速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤和控制發(fā)電機輸出功率。轉矩電流關系采用最大轉矩電流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制，即單位電流下獲得最大的轉矩。PMSG在dq坐標系下的電壓方程為

(7)

式中，Ld、Lq為定子電感dq軸分量，ψf為轉子磁鏈，isd、isq分別為定子電流dq軸分量，ωs為PMSG轉子同步角速度。

3.2 網(wǎng)側控制策略

PMSG定子與S4～S9構成的等效網(wǎng)側變換器相連。根據(jù)電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將電網(wǎng)電壓矢量eg定在dq坐標系下的d軸上，即egd=ud，egq=0。采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功無功的解耦控制，保證網(wǎng)側逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。等效網(wǎng)側變換器dq坐標系下的方程可表示為

(8)

式中，igd、igq分別為電網(wǎng)側電流dq軸分量，ud為

電網(wǎng)電壓d軸分量，Rg為等效電阻，Lg為濾波器電感，ωg為電網(wǎng)同步角速度。

九開關型永磁同步風電系統(tǒng)控制策略在傳統(tǒng)控制策略基礎上，還需對上、下通道調(diào)制波加入直流偏置量，以滿足上通道調(diào)制波幅值大于下通道調(diào)制波的條件。系統(tǒng)控制策略結構圖如圖4所示。

圖4 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)控制策略

4 仿真驗證及分析

4.1 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

為驗證九開關型永磁同步風電系統(tǒng)運行能力，在Matlab/Simulink下建立基于九開關變換器的直驅式風電系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)模型參數(shù)

在漸變風速下，系統(tǒng)中的風力機、發(fā)電機、電網(wǎng)側仿真結果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，額定風速為9 m/s，在0.75 s時風速下降到7 m/s，隨后到1.6 s時逐漸上升為11 m/s。風力機的轉速能快速跟隨風速的變化，當超過額定風速以后，變槳裝置啟動，槳距角β變?yōu)?0°，將風力機輸出功率限制在2 MW以內(nèi)。風能利用系數(shù)Cp在額定風速下為0.51，葉尖速比λ為8.8。當超過額定風速時，Cp和λ有所下降。由圖5(b)可知，PMSG轉子轉速和定子電流幅值隨風速變化而變化，定子電流頻率在額定轉速下保持在10.3 Hz，與發(fā)電機定子44對的極對數(shù)理論相一致。由圖5(c)可得，PMSG輸出有功功率Pg變化與風速變化保持一致，在額定風速下，功率達到額定功率2 MW，風速在7 m/s時，發(fā)電機輸出功率下降到1 MW，風速達到11 m/s時，由于槳距角變化，輸出功率限制在2 MW，無功功率Qg基本保持為零，直流側電壓基本穩(wěn)定在2 400 V

4.2 九開關型永磁同步風電系統(tǒng)故障穿越仿真分析

為驗證九開關型永磁同步風電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時的運行特性，根據(jù)故障穿越相關技術規(guī)定，設定系統(tǒng)在額定風速下，電網(wǎng)三相電壓跌落80%，持續(xù)時間625 ms。故障期間，卸荷電路投入工作，仿真結果如圖6所示。

圖6 三相嚴重對稱故障下仿真結果

如圖6所示，0.4 s時并網(wǎng)點三相電壓跌落80%，1.025 s時故障切除。故障瞬間NSC直流側有20 V過電壓，隨后卸荷電路投入運行，過電壓消失。故障期間，并網(wǎng)點有功Pg為0.4 MW，卸荷電阻Rc消耗1.6 MW，無功功率Qg基本為零。故障切除時，直流母線電壓驟升50 V，之后快速恢復到2 400 V?？芍陔妷簢乐氐淝闆r下，采用卸荷電路實現(xiàn)機組故障穿越，九開關型永磁同步風電系統(tǒng)仍可并網(wǎng)運行。

5 結 論

本文針對九開關變換器器件數(shù)量少、使用靈活的特點，將其替代背靠背式變換器應用于直驅式永磁同步風電系統(tǒng)中。確定了NSC上、下通道的連接方式，將PMSG與NSC下通道相連，NSC上通道經(jīng)過濾波器與電網(wǎng)相連。為提高NSC直流電壓利用率，結合常規(guī)直驅式風電系統(tǒng)的機側、網(wǎng)側控制策略，設計了三相調(diào)制波信號注入三次諧波的調(diào)制方式。通過仿真驗證了NSC在直驅式風電系統(tǒng)中可實現(xiàn)與傳統(tǒng)背靠背式變換器同樣的性能，聯(lián)合卸荷電路可提高風電系統(tǒng)的故障穿越能力。