基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)力發(fā)電單相并網(wǎng)系統(tǒng)研究

裴旭兵 裴旭東

（1.中廣核新能源控股有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

0 引言

近年來，隨著全球變暖和能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇，各個(gè)國家對(duì)光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)展愈加重視，其中風(fēng)力發(fā)電是應(yīng)用最為廣泛的清潔能源之一。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，陸上風(fēng)電場(chǎng)將在幾年內(nèi)達(dá)到峰值。考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝便捷、對(duì)區(qū)域環(huán)境影響小等因素，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展應(yīng)用有望加速[1]。

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間連接無源濾波器和變壓器[2]，以消除開關(guān)器件紋波對(duì)電網(wǎng)的影響，而無源濾波器和變壓器是影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電容量的關(guān)鍵因素。模塊化多電平變換器（MMC）[3-4]作為一種無變壓器、無濾波器的變換器備受關(guān)注，由于不需要配置無源濾波器，因此MMC可輸出更高質(zhì)量的電壓波形。此外，由于MMC具有多級(jí)連接的逆變器，因此功率器件的開關(guān)應(yīng)力較小。

本文研究了不同風(fēng)速下多臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的單相并網(wǎng)模塊化多電平變換器控制策略，所研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSM）、二極管整流器、升壓斬波器和MMC組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率通過MMC各子模塊向電網(wǎng)輸送功率，通過控制電網(wǎng)側(cè)輸出d、q電流實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，利用獨(dú)立的橋單元控制器使每個(gè)橋單元電容器電壓緊緊跟隨參考電壓變化。最后通過計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證了所提方法的有效性。仿真結(jié)果表明，基于MMC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以控制不同風(fēng)速下的發(fā)電功率。

1 單相并網(wǎng)MMC風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖1所示為多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的單相并網(wǎng)MMC電路架構(gòu)，其中風(fēng)力機(jī)葉尖速比控制由帶二極管整流器的升壓斬波器實(shí)現(xiàn)，使風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率輸出最大化，MMC控制各個(gè)子模塊電容電壓和功率流動(dòng)。圖2所示為對(duì)應(yīng)MMC控制結(jié)構(gòu)，在該并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中即使每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都處于不同的發(fā)電狀態(tài)，也可在控制各電容電壓的同時(shí)向電網(wǎng)輸送功率。設(shè)定本文研究對(duì)象為立軸型風(fēng)力機(jī)，額定功率為1.16kW，額定轉(zhuǎn)速為300r/min。

圖1 多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的單相并網(wǎng)MMC電路架構(gòu)

圖2 MMC及葉尖速比控制結(jié)構(gòu)

1.1 葉尖速比控制

風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率Pw可表示為：

式中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)力機(jī)槳葉受風(fēng)面積；Cp為功率系數(shù)；vw為風(fēng)速。

Cp是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)。當(dāng)β為常數(shù)時(shí)，Cp是λ的函數(shù)。為了使輸出機(jī)械功率最大化，需要將風(fēng)力機(jī)槳葉控制在最優(yōu)點(diǎn)，即Cp的最大值點(diǎn)。因此，λ表示為：

式中：r為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑；ω為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。

本文采用升壓斬波電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高效驅(qū)動(dòng)，達(dá)到最大功率跟蹤控制，也即最優(yōu)葉尖速比運(yùn)行。最優(yōu)葉尖速比λ*具體為：

λ*和λ之間的誤差通過PI控制器后，經(jīng)載波調(diào)制用于控制斬波電路功率器件開合。

1.2 MMC控制

MMC控制器由功率平衡控制模塊和單個(gè)子模塊控制模塊組成，MMC控制中使用的相位角θ由單相鎖相環(huán)（PLL）電路產(chǎn)生。

1.2.1 功率平衡控制

圖3為功率平衡控制模塊結(jié)構(gòu)，通過控制網(wǎng)側(cè)輸出電流在單相d-q坐標(biāo)下的分量實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，各子模塊電容電壓平均值與直流參考電壓之間的誤差通過PI控制器輸出后作為網(wǎng)側(cè)有功電流參考值，無功電流參考值設(shè)為0，因此，可以實(shí)現(xiàn)輸出至電網(wǎng)側(cè)電壓和電流同相位。有功電流和無功電流參考值表示為：

圖3 功率平衡控制結(jié)構(gòu)

式中：Kp1為控制增益；Ti1為積分時(shí)間常數(shù)；q*為電網(wǎng)側(cè)無功功率參考值；vd為電網(wǎng)側(cè)電壓的d軸分量。

功率流動(dòng)控制在d-q坐標(biāo)下的d軸參考電壓和q軸參考電壓由下式求得：

式中：N為級(jí)聯(lián)的子模塊數(shù)量，本文N設(shè)定為3；Kp為控制增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；isd、isq分別為網(wǎng)側(cè)有功電流和無功電流。

1.2.2 MMC子模塊控制

圖4為單個(gè)子模塊控制模塊結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)所處風(fēng)速環(huán)境不同，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率也不同。各子模塊單元的有功參考電流由每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率計(jì)算得到，有功電流由所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率和每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率Pn計(jì)算得到。每個(gè)子模塊單元d軸參考電壓由式（6）得到：

圖4 MMC子模塊控制結(jié)構(gòu)

式中：n為子模塊，本文研究中n=1，2，3。

由于每個(gè)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的功率不同，為確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，必須保持每個(gè)子模塊電容電壓平衡。直流參考電壓與每個(gè)子模塊電容電壓平均值之間的誤差經(jīng)過PI控制器放大后乘以-cos θ得到每個(gè)子模塊電容控制電壓，具體為：

式中：Kp2為控制增益；Ti2為積分時(shí)間常數(shù)。

子模塊開關(guān)器件參考控制電壓由與求和計(jì)算得到。各子模塊單元的開關(guān)脈沖由相移載波脈寬調(diào)制（PSCPWM）產(chǎn)生。

2 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證單相并網(wǎng)MMC控制的有效性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓有效值vs=210 V，網(wǎng)側(cè)電感Lac=3.6 mH，Ls=155 μH，直流電容Cn=4.7 mF，升壓斬波電路電容CBn=20 μF，電感Ln=1 mH，功率器件開關(guān)頻率為20 kHz，PWM載波頻率為4 kHz，MMC功率器件開關(guān)頻率為24 kHz。

首先研究不同風(fēng)速下的MMC控制效果，圖5為3個(gè)不同風(fēng)速的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)MMC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為2.5、7、14 m/s。vT為電網(wǎng)側(cè)接收端電壓，is為網(wǎng)側(cè)電流，vc1、vc2、vc3為每個(gè)子模塊單元的電容電壓，vcs1、vcs2、vcs3為每個(gè)子模塊輸出電壓，vcs為MMC整體輸出電壓。從圖中可以看出，每個(gè)子模塊電容電壓控制在參考電壓300 V左右，子模塊電容的紋波電壓控制在0.5%以內(nèi)。網(wǎng)側(cè)電流有效值為4.04 A，輸出功率因數(shù)為0.98。仿真結(jié)果表明，通過葉尖速比控制，各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速比λ與最優(yōu)葉尖速比λ*一致，說明各個(gè)風(fēng)機(jī)均保持最大功率運(yùn)行。

圖5 MMC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形

其次研究風(fēng)速變化情況下的MMC控制效果，圖6為風(fēng)速波動(dòng)時(shí)MMC控制動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形。設(shè)定3個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)速相同，且在0～10 s期間，3個(gè)風(fēng)力機(jī)所處風(fēng)速均為0，從10 s到12 s時(shí)刻，風(fēng)速從0 m/s上升到14 m/s。由圖6可知，風(fēng)速波動(dòng)情況下λ緊緊跟隨λ*變化，說明在這個(gè)過程中風(fēng)力機(jī)始終處于高效率運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流輸出為0 A，每個(gè)子模塊電容電壓控制為300 V。風(fēng)速發(fā)生變化穩(wěn)定至14 m/s運(yùn)行后，子模塊電容的紋波電壓控制在0.5%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于MMC的單相并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速波動(dòng)下能夠很好地控制各子模塊的功率穩(wěn)定和電容電壓平衡。

圖6 MMC動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形

3 結(jié)論

本文研究了基于MMC的多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單相并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同風(fēng)速和風(fēng)速波動(dòng)條件下的運(yùn)行情況，功率因數(shù)通過基于單相d-q坐標(biāo)的有功和無功電流控制來保持。仿真結(jié)果表明，在不同風(fēng)速下多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以在保持各電容電壓平衡控制的同時(shí)，以統(tǒng)一的功率因數(shù)控制系統(tǒng)功率潮流分布；當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，MMC的子模塊電容電壓穩(wěn)定控制在8%以內(nèi)。因此，本文提出的基于MMC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有實(shí)用性和可推廣性。