基于SVPWM 的直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)GS-NSC 研究

陳 爍， 任永峰， 薛 宇， 韓俊飛， 俞超宇

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.北京天潤新能投資有限公司， 北京 100029；3.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

直驅(qū)永磁同步風電機組 （Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG） 具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動損耗小、可靠性高、維護成本低等優(yōu)點[1]～[3]。直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)通過變換器與電網(wǎng)解耦， 因此具有較高的低/高電壓穿越 （Low/High Voltage Ride Through，LVRT/HVRT）能力。

傳統(tǒng)PMSG 大多采用卸荷電路實現(xiàn)LVRT，但在不對稱故障時，其電流會產(chǎn)生不對稱分量，影響變換器的安全運行。 文獻[4]～[6]在故障時注入無功電流，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，解決了LVRT 的問題，但未在不對稱故障下驗證控制策略的正確性。文獻[7]，[8]將DVR 應(yīng)用在風電系統(tǒng)中，在故障期間實現(xiàn)了風電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定， 增強了其低電壓穿越能力。 國內(nèi)目前針對HVRT 的研究主要集中在雙饋風電機組，文獻[9]采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制方案， 在故障期間能有效抑制暫態(tài)波動并向電網(wǎng)提供無功支撐。 文獻[10]提出基于變流器動態(tài)無功控制的HVRT 控制策略，整個HVRT 期間系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。

九開關(guān)變換器由于體積小、 功率密度高等獨特優(yōu)勢在風電系統(tǒng)中得到廣泛的關(guān)注。 文獻[11]～[13] 將九開關(guān)變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)背靠背變換器，分別應(yīng)用在雙饋和永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中， 減小了變換器的體積， 并通過合適的控制策略實現(xiàn)了和傳統(tǒng)背靠背變換器相同的控制性能。 文獻[14]將NSC 代替直驅(qū)風電系統(tǒng)中的機側(cè)變換器，僅用一套變頻設(shè)備實現(xiàn)了兩臺小功率PMSG 的并網(wǎng)運行。 文獻[15]將NSC 作為UPQC 應(yīng)用到風電系統(tǒng)中， 同時采用動態(tài)調(diào)制比的控制策略提高直流電壓利用率， 改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量和提升故障穿越能力。 文獻[16]用NSC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)DFIG 風電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變換器，實現(xiàn)了系統(tǒng)的并網(wǎng)運行與LVRT。文獻[17]用NSC 實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運行與電網(wǎng)故障下電壓串補一體化運行。目前，常用的九開關(guān)調(diào)制方法主要為空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM） 和正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。文獻 [18] 采用SPWM 調(diào)制方法， 解決了原有的SPWM 方式在調(diào)制深度上的不足， 為九開關(guān)結(jié)構(gòu)在更廣泛范圍的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。 文獻[19]采用三次諧波注入的SPWM 方式，提高了直流側(cè)電壓利用率， 但由于3 次諧波注入時有一定的延時性，該方法并未取得較好的發(fā)展。 文獻[20]，[21]采用相移SVM 調(diào)制策略，可同時適用于共頻和異頻模式，提高了直流電壓利用率，解決了電壓和電流畸變問題。

本文采用九開關(guān)變換器替代直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)變換器 （Grid Side Converter，GSC），僅增加3 個IGBT，便能實現(xiàn)PMSG 的并網(wǎng)控制和電壓補償功能，與其它串補裝置相比，節(jié)省了系統(tǒng)成本。

1 九開關(guān)變換器SVPWM 調(diào)制

系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of grid-side nine-switch converter of direct-drive permanent magnet synchronous wind power system

圖中：G1～G6構(gòu)成等效網(wǎng)側(cè)變換器，用以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，輸出電流正弦及實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行等；G4～G9構(gòu)成等效動態(tài)電壓恢復(fù)器，當電網(wǎng)故障時注入補償電壓；GS-NSC 采用SVPWM調(diào)制方式，有效降低了直流電壓設(shè)計值。

由圖1 可知，上、下通道共用開關(guān)管G4～G6實現(xiàn)雙路輸入、輸出。 以G1，G4，G7構(gòu)成的第一橋臂為例，上、下通道的調(diào)制信號為

式中：UU，UL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， 本文采用同頻調(diào)制，即ω1=ω2；φ1，φ2分別為調(diào)制信號初相位。

由于上、下通道初相位不能確定，為避免上、下通道調(diào)制信號交叉，須加入直流偏置量，以滿足UU＞UL的條件[17]，其表達式轉(zhuǎn)化為

九開關(guān)變換器采用SPWM 調(diào)制方式時，其調(diào)制原理如圖2 所示。

圖2 九開關(guān)調(diào)制原理圖Fig.2 Modulation schematic diagram of NSC

由圖2 可知：將兩路正弦調(diào)制信號uUA，uLA分別與三角載波信號uX進行比較（調(diào)制信號＞載波信號，輸出“1”）得到上、下通道開關(guān)信號，中間開關(guān)信號通過異或邏輯關(guān)系得到。 九開關(guān)變換器在工作狀態(tài)時，每一橋臂必有兩個開關(guān)是同時處于打開狀態(tài)，另一開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖3 顯示了在一個周期內(nèi)采用SPWM 調(diào)制時的開關(guān)狀態(tài)。 可以看出，在每個周期內(nèi)，上、下通道的開關(guān)狀態(tài)均發(fā)生6 次改變。

圖3 九開關(guān)變換器的開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Switching states of nine-switch converter

由上文可得NSC 的開關(guān)狀態(tài), 如表1 所示（以第一橋臂為例）。

表1 橋臂開關(guān)狀態(tài)Table 1 Switching states of legs

由表1 可知，NSC 的每一橋臂共有3 種狀態(tài)， 分 別 用1，0，-1 表 示。 其 中：a=1，4，7；b=2，5，8；c=3，6，9?？紤]到九開關(guān)變換器的3 個橋臂的獨立性，共有27 種開關(guān)狀態(tài)。

GS-NSC 調(diào)制時，應(yīng)保證上、下兩通道能獨立輸出。GS-NSC 的27 種開關(guān)狀態(tài)中，有15 種開關(guān)狀態(tài)可使上、下通道完全解耦，如表2 所示。 NSC的上端和下端6 個開關(guān)管的開關(guān)控制信號可通過SVPWM 調(diào)制得到， 中間3 個開關(guān)管的開關(guān)控制信號由上下開關(guān)信號異或（XOR）得到。

表2 SVPWM 開關(guān)矢量Table 2 Switching vectors of SVPWM

上、下通道分別由u1，u2和u3，u4的線性組合構(gòu)成期望的電壓矢量， 在一個開關(guān)周期T 中，作用時間分別為T1，T2，T3，T4。 其時間的表達式為

式中：mU，mL分別為上、下通道的調(diào)制比。

由于T1+T2+T3+T4≤T，結(jié)合式（3）可得：

由式（4）可知，采用SVPWM 調(diào)制的NSC 直流電壓利用率提高約15.5%。

2 直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)控制

PMSG 通過機側(cè)變換器對永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行控制， 實現(xiàn)最大功率跟蹤。 根據(jù)相關(guān)標準，在并網(wǎng)點電壓變化量小于10%時，系統(tǒng)仍運行在單位功率因數(shù)模式，即i*gq=0。 在并網(wǎng)點電壓處于0.2～0.9 p.u.時，網(wǎng)側(cè)變換器應(yīng)能優(yōu)先發(fā)出無功電流支撐并網(wǎng)點電壓恢復(fù)， 其無功和有功參考電流為

式中：imax為網(wǎng)側(cè)變換器允許的最大電流值（本文imax=1.1 p.u.）；ugpu為并網(wǎng)點電壓標幺值；IN為機組的額定電流。

在電網(wǎng)電壓高于1.1 p.u.時，系統(tǒng)注入感性無功電流支撐電壓為

高電壓故障期間，由能量守恒可知，有功電流值必然減小，有功電流保持原有運行狀態(tài)。

本文得出網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器的控制及調(diào)制策略如圖4 所示。 等效GSC 單元采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。等效DVR 單元采用前饋和負反饋相結(jié)合的復(fù)合控制策略。 電壓前饋控制可有效抑制電壓波動，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。由于PI 控制器無法對時變變量進行無差控制，故采用比例諧振控制器盡量減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

圖4 網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器控制框圖Fig.4 Control diagram of grid-side nine-switch converter

3 直流側(cè)加卸荷電路

當并網(wǎng)點電壓幅值深度對稱跌落時，直流側(cè)電壓會迅速泵升，為保護變換器及直流側(cè)電容，采用卸荷電路釋放多余的能量。 在不對稱電網(wǎng)故障時，投入卸荷電路可以有效抑制直流側(cè)電壓二倍頻波動，提高直流側(cè)電容的使用壽命，提升直驅(qū)風電系統(tǒng)的故障穿越能力。

4 仿真結(jié)果及分析

為驗證本文所提GS-NSC 實現(xiàn)故障穿越的有效性，在Matlab/Simulink 中建立圖1 的直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器仿真模型。 設(shè)計4 種工況對系統(tǒng)進行仿真分析。

4.1 PMSG 風電系統(tǒng)變速恒頻仿真

在變風速時間尺度下，為驗證機側(cè)及等效網(wǎng)側(cè)變換器控制策略的正確性， 其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 PMSG 變速恒頻運行仿真Fig.5 Simulation of PMSG variable speed constant frequency operation

由圖5 可知，0.6 s 時，風速由9 m/s 降 至7 m/s， 在1.5 s 升至超同步速11 m/s，PMSG 在風速變換過程中， 其轉(zhuǎn)速較好地跟蹤風速的變化。PMSG 的輸出電壓Ug保持不變，定子電流Is和網(wǎng)側(cè)變換器流過的電流Ig跟隨風速變化，在超同步速時由于變槳系統(tǒng)的作用， 一直保持在額定值。Udc，Pg，Qg在風速變化時，均出現(xiàn)短暫的暫態(tài)變化恢復(fù)至穩(wěn)定值，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 200 V 左右，無功功率近似為0 MVar，系統(tǒng)控制性能良好。

4.2 并網(wǎng)點電壓對稱驟升30%工況

為驗證GS-NSC 在對稱驟升工況下提升PMSG 的HVLT，模擬在0.3～0.8 s 時，PCC 點電壓UPCC對稱驟升30%故障工況， 仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)側(cè)NSC 實現(xiàn)PMSG 高電壓穿越運行仿真Fig.6 Simulation of PMSG High Voltage ride-through by grid-side NSC

PMSG 的網(wǎng)側(cè)變換器電壓Ug在故障時刻經(jīng)過DVR 單元輸出補償電壓UDVR補償至額定工況，僅在故障發(fā)生和恢復(fù)時有微小的暫態(tài)變化，為網(wǎng)側(cè)變換器控制提供穩(wěn)定的電壓與正弦電流。 在故障期間，id約為1 782 A，iq約為704 A， 基本與理論值相同，改進控制策略的控制性能良好。并網(wǎng)點電流IPCC 在故障期間由于存在無功分量，其值相比單位功率因數(shù)并網(wǎng)時有所升高。 由于網(wǎng)側(cè)變換器輸出電壓在整個期間基本維持不變， 在故障期間等效GSC 輸出約1.52 MW 有功功率Pg，向電網(wǎng)注入0.61 MVar 左右的感性無功功率Qg。PCC 點的有功功率PPCC和無功功率QPCC分別為2 MW 和0.83 MVar 左右，與理論值基本一致，僅在故障開始和結(jié)束時刻有不到20 ms 且波動幅值不到25%的微小暫態(tài)變化。PPCC，QPCC與Pg，Qg的差值則是DVR 單元的有功和無功功率。在整個高電壓穿越期間，卸荷電路沒有投入運行，在故障起始時有35 V 左右的超調(diào)。 整個高電壓故障期間，機組的運行不受任何影響， 網(wǎng)側(cè)變換器的運行在可控范圍內(nèi)， 同時GS-NSC 可優(yōu)先注入一定的無功電流幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)， 實現(xiàn)了PMSG 的高電壓故障穿越。

4.3 并網(wǎng)點電壓對稱跌落50%工況

為驗證GS-NSC 提升PMSG 在對稱跌落工況下的低電壓穿越能力，在0.3～1.514 s 時對稱跌落至額定工況的50%，仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，故障發(fā)生時，由于電壓跌落，直流側(cè)出現(xiàn)過電壓情況， 投入卸荷電路釋放掉累積能量，直流電壓依然維持在2 200 V，僅在故障開始和結(jié)束時有不到20 V 的超調(diào)。當并網(wǎng)點電壓跌落至50%時，PCC 有功功率PPCC跌落至0.94 MW，卸荷電路消耗約0.8 MW 的功率。 故障期間，由式（8） 可得網(wǎng)側(cè)變換器應(yīng)向電網(wǎng)注入1 410 A 的無功電流， 此時有功電流的理論值為2 166.6 A，由圖9 中id，iq波形可以看出，id約為2 167 A，iq約為1 409 A，與理論值相符。 等效GSC 單元由于有功電流的減小，其輸出的有功功率也隨之減小，在故障開始和結(jié)束時刻有微小的超調(diào)。 整個故障期間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在模式切換過程中沒有出現(xiàn)較大的波動和沖擊， 且GS-NSC 在故障期間能穩(wěn)定向電網(wǎng)提供約0.56 MVar 的無功功率， 滿足電網(wǎng)對機組無功補償?shù)囊螅?可有效提升PMSG 的低電壓穿越運行。

圖7 對稱故障工況下低電壓穿越運行仿真Fig.7 Low voltage ride through simulation under condition of symmetrical fault

4.4 并網(wǎng)點電壓不對稱跌落且畸變工況

為驗證網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器在不對稱故障且畸變工況下改善系統(tǒng)運行的特性，整個仿真期間，設(shè)計并網(wǎng)點電壓包含幅值分別為基波幅值10%和5%的5 次和7 次諧波，且在0.6～1 s 時，并網(wǎng)點電壓A，C 相跌落13%，B 相跌落至額定工況的20%的嚴重不對稱跌落故障，其仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 嚴重不對稱且電壓畸變工況下故障穿越運行仿真Fig.8 Fault ride through simulation under condition of severely asymmetric and voltage distortion

由并網(wǎng)點電壓UPCC波形可看出，在整個仿真期間，PCC 電壓由于含有較嚴重的諧波畸變，經(jīng)過DVR 補償后，變換器輸出電壓Ug基本維持穩(wěn)定。無論在畸變還是跌落工況下，僅維持一個周期的暫態(tài)變化，DVR 作用效果明顯。由id，iq可以看出，在故障期間，iq基本維持在1 172 A 左右， 此時id約為2 291 A，與理論值基本一致，網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器在故障期間可向電網(wǎng)注入穩(wěn)定的無功電流有助于并網(wǎng)點電壓恢復(fù)。 在0.2～0.4 s 時，由于未投入DVR 單元，Ug在此期間波形畸變率達到11.18%，在0.4～0.6 s 時，由于DVR 單元注入補償電壓，Ug恢復(fù)正弦，電壓諧波含量為1.39%。 并網(wǎng)點功率由于電壓中含有諧波含量且發(fā)生不對稱故障，功率波動較大，在故障期間產(chǎn)生2 倍頻分量。在整個運行過程中直流側(cè)電壓維持在2 200 V 左右，僅在未投入DVR 期間產(chǎn)生±5 V 的波動，在不對稱故障期間，由于卸荷電路的投入，很好抑制了直流電壓2 倍頻分量， 有效提升了直流側(cè)電容壽命。在整個不對稱且電壓畸變工況下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行， 且網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器優(yōu)先向電網(wǎng)注入無功電流幫助并網(wǎng)點電壓恢復(fù)。

5 結(jié)論

本文采用GS-NSC 拓撲并改進網(wǎng)側(cè)控制策略， 提升了PMSG 的故障穿越能力， 治理電壓諧波。 通過仿真得出：①采用網(wǎng)側(cè)NSC 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了PMSG 的并網(wǎng)控制及電壓補償功能， 通過采用SVPWM 調(diào)制提升了變換器的直流電壓利用率，有效降低了直流側(cè)電壓設(shè)計值； ②在網(wǎng)側(cè)NSC、改進控制策略和卸荷電路的共同作用下， 系統(tǒng)能應(yīng)對低、高電壓故障工況下故障穿越，且在故障期間可根據(jù)標準優(yōu)先向電網(wǎng)注入一定的無功電流，有助電網(wǎng)電壓恢復(fù)；③網(wǎng)側(cè)NSC 能有效治理電壓諧波，可向電網(wǎng)注入友好型可再生能源。