基于FCS-MPC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究

霍智偉　裴旭東

摘 要：提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越方法，構(gòu)建了包含網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)電流的價(jià)值函數(shù)，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)風(fēng)速變化時(shí)的直流電壓穩(wěn)定和最大功率跟蹤。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落時(shí)，利用一個(gè)比例函數(shù)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流參考值，減少永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)組出力，通過(guò)將機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)間的不平衡功率傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。最后通過(guò)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制策略應(yīng)用于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：模型預(yù)測(cè)控制；直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；低電壓穿越

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.51? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0078-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.020

0? ? 引言

風(fēng)能是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的清潔能源之一，由于極易受天氣因素影響，風(fēng)力發(fā)電有時(shí)會(huì)出現(xiàn)間斷；同時(shí)由于風(fēng)能大小的不確定性，風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)沖擊比較大，影響并網(wǎng)點(diǎn)的電壓幅值和頻率。在大部分省電網(wǎng)中，風(fēng)能只是在火電出力不足時(shí)并入電網(wǎng)，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率（即風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)出力中的比重）越來(lái)越大，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響也越來(lái)越大。因此，世界各國(guó)針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)制定了愈加嚴(yán)格的技術(shù)要求，其中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力最為重要。LVRT是指在并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生凹陷和跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行，甚至向電網(wǎng)輸入一定的無(wú)功功率，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)，安全度過(guò)這一段低電壓區(qū)域[1-2]。

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)[3-4]（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）作為目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型之一，具有低壓穿越能力強(qiáng)、發(fā)電效率高、不需要齒輪箱、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。模型預(yù)測(cè)控制[5-7]由于其便于解決多變量、強(qiáng)耦合、多約束等非線性控制問(wèn)題，目前已發(fā)展成為應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)控制算法之一。

本文通過(guò)制定穩(wěn)定、高性能的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制（Finite Control Set Model Predictive Control，F(xiàn)CS-MPC）算法，將其用于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)領(lǐng)域，能有效避免風(fēng)電并網(wǎng)存在的低電壓穿越問(wèn)題，并改善電網(wǎng)運(yùn)行特性。

1? ? 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖1所示為背靠背拓?fù)涞挠来胖彬?qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接的變流器稱(chēng)為機(jī)側(cè)變流器（Machine Side Converter，MSC），與電網(wǎng)相連接的變流器稱(chēng)為網(wǎng)側(cè)變流器（Grid Side Converter，GSC）。

忽略線路與開(kāi)關(guān)器件損耗，假設(shè)電容無(wú)窮大、電感不會(huì)飽和等，機(jī)側(cè)變流器（MSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型分別為：

式中：us d、us q、is d、is q、Ls d、Ls q分別為機(jī)側(cè)變流器電壓、電流、電感的d、q軸分量；uf d、uf q、if d、if q、Lf d、Lf q 分別為網(wǎng)側(cè)變流器電壓、電流、電感的d、q軸分量；Rs、Rf分別為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)等效電阻；ωr為電機(jī)旋轉(zhuǎn)電氣角速度；ωe為網(wǎng)側(cè)基波電壓角速度。

2? ? 模型預(yù)測(cè)控制策略

模型預(yù)測(cè)控制利用功率變換器的離散本質(zhì)，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化，直接選出使單一價(jià)值函數(shù)最小的最優(yōu)電壓矢量，其系統(tǒng)性能主要通過(guò)價(jià)值函數(shù)體現(xiàn)。由于實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為數(shù)字離散系統(tǒng)，假設(shè)當(dāng)前為k時(shí)刻，則在一個(gè)很小的采樣周期Ts內(nèi)有：

在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)控制機(jī)側(cè)變流器輸出電流q軸電流分量is q實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大功率跟蹤控制，通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)電流d軸分量is d實(shí)現(xiàn)直流電壓控制及單位功率因數(shù)控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)后，由于變流器最大電流約束或輸出功率振蕩，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率無(wú)法和捕獲的風(fēng)功率相平衡。為使該不平衡能量由機(jī)組機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)，本文策略即在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)快速切換開(kāi)關(guān)，乘以一個(gè)校正系數(shù)KF（KF＜1），降低機(jī)側(cè)變流器輸出電流q軸電流分量指令值，對(duì)電壓跌落后的機(jī)側(cè)變流器輸出電流進(jìn)行快速響應(yīng)。KF為一離線參數(shù)，其大小是根據(jù)電網(wǎng)不同跌落深度，綜合考慮故障后直流電壓穩(wěn)定及并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)所需功率計(jì)算所得，整體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? ? 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提出的基于模型預(yù)測(cè)算法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制的正確性和有效性，設(shè)計(jì)了Matlab仿真試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如下：風(fēng)機(jī)額定功率設(shè)定為20 kW，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為20 m/s，濾波電感為10 mH，直流側(cè)電壓為700 V，電網(wǎng)頻率設(shè)定為50 Hz，PMSG額定電壓為400 V，并網(wǎng)點(diǎn)電壓為400 V。

圖2所示為無(wú)低電壓穿越控制策略干預(yù)情況下的仿真試驗(yàn)結(jié)果，模擬1 s時(shí)刻電網(wǎng)電壓從額定電壓跌落至20%，跌落時(shí)間持續(xù)200 ms?？梢钥闯?，電網(wǎng)電壓跌落后直流側(cè)電容電壓飆升，原因是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率降低，但風(fēng)電機(jī)組仍然工作于最大功率跟蹤狀態(tài)，捕獲的風(fēng)電功率不變，機(jī)側(cè)變流器輸出有功功率不變，從而造成直流側(cè)功率失衡，導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高。

圖3所示為有低電壓穿越控制策略干預(yù)情況下的仿真試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，發(fā)生同樣的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，直流電容電壓只在電壓跌落和恢復(fù)瞬間發(fā)生微小變化后就趨于正常；同時(shí)，在電壓跌落時(shí)刻向電網(wǎng)注入了無(wú)功功率，能幫助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)。另外，在電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)電機(jī)組將多余能量?jī)?chǔ)存在永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量中，所以機(jī)側(cè)電流降低，確保了機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)功率平衡，保護(hù)了電力電子功率器件的運(yùn)行安全，驗(yàn)證了本文所提基于模型預(yù)測(cè)控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的有效性。

4? ? 結(jié)論

本文提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)，通過(guò)將網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型離散化，推導(dǎo)出k+1時(shí)刻的dq電流預(yù)測(cè)值，并構(gòu)建網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)模型預(yù)測(cè)價(jià)值函數(shù)。通過(guò)引入校正系數(shù)KF（KF＜1），從而降低機(jī)側(cè)變流器輸出電流q軸電流分量指令值，對(duì)電壓跌落后的機(jī)側(cè)變流器輸出電流進(jìn)行快速響應(yīng)。最后，通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)比分析了有無(wú)低電壓穿越控制干預(yù)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

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收稿日期：2023-03-13

作者簡(jiǎn)介：霍智偉（1989—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品試驗(yàn)。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級(jí)工程師，研究方向：發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。