劉勝文，包廣清，范少偉，劉 峻 ，李正元

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州730050；2.甘肅電力科學研究院，蘭州 730050）

引言

風力能源是理想的清潔能源，目前我國近海風場的可開發(fā)風能資源是陸上實際可開發(fā)風能資源儲量的3倍，接近7.59億kW[1]。但海上風電是陸上風電的2倍，為降低成本，海上風電場需要更大的風力發(fā)電單機容量、更少的維護成本以及更可靠的風力發(fā)電機組。直驅永磁同步風力發(fā)電機（PMSG）直接與風力機相連接，轉速低，極數(shù)多，定轉子尺寸大，呈扁平狀結構，具有轉動慣量大的特點，PMSG的這些特性有利于抑制風力起伏引起的電勢波動，同時PMSG無齒輪箱，對電網(wǎng)有更好的融合性[2-4]，以上特點使得PMSG應用在海上風電有明顯的優(yōu)勢。由文獻[5]可知，為實現(xiàn)風電并網(wǎng)，風電場內風力發(fā)電機組應具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，能夠維持并網(wǎng)運行0.625s的低電壓穿越能力（LVRT）。

電網(wǎng)電壓跌落時往往會使直流母線電壓過高，目前PMSG系統(tǒng)的LVRT采取的主要措施有[6]：①選擇耐壓和過流值比較大的電力電子器件，并提高直流電容的額定電壓值；②增加輔助網(wǎng)側變流器；③在直流母線（DC-link）上接儲能系統(tǒng)或Buck變換器；④采取變槳控制。其中措施①～③需要改變或增加器件，增加了系統(tǒng)的成本，措施④的動態(tài)響應比較慢。因此，本文提出一種基于功率變換的控制方法，通過機側整流器穩(wěn)定直流母線電壓，網(wǎng)側逆變器跟蹤風力機的轉速實現(xiàn)最大風能利用。電網(wǎng)跌落時，使系統(tǒng)輸入和輸出不平衡的能量轉化為風力機和發(fā)電機的動能，從而提高低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)安全度過電網(wǎng)故障。

1 風力機模型

雙脈寬調制(PWM)變換器因具有功率雙向流動等特點，并且具有優(yōu)良的運行特性,因而在風力發(fā)電技術研究中得到了廣泛關注[7]。本文采用圖1所示的PMSG系統(tǒng)，圖中C為直流母線（DC-link）電容，idcDC-link電流，udc為DC-link的電壓，R為電抗器及開關管的等效電阻，L為網(wǎng)側電抗的電感。

圖1 直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)

風力機數(shù)學模型為[8]：

式中：Pw為軸機械功率；λ為葉尖速比；ρ為空氣密度；R為風葉半徑；wω為風力機轉速；v為風速；Cp為風能利用系數(shù)。

風能利用系數(shù)定義為：

當槳距角θ=0o時，風力機的風能利用系數(shù)為最大值= 0 .44，而葉尖速比為= 6 .9。對于槳距角固定但風速不同的情況下，風力機的輸出功率P曲線如圖2所示。

圖2 風力機功率特性

由圖2可知，對每個風速都存在一個特定的轉速，使得風力機的輸出功率最大。則當P小于額定功率時，P和轉子速度參考值則存在如下關系[9]：

2 控制策略

忽略發(fā)電系統(tǒng)的功率損失，風機轉速、直流母線電壓和系統(tǒng)各有功功率之間的關系可以表示為：

式中：Pm為轉變成風力機和發(fā)電機動能的功率；cP為貯存在DC-link上電容C功率；Pgrid為注入電網(wǎng)中的有功功率。

在傳統(tǒng)的控制方法里[10]，機側整流器用來控制發(fā)電機輸出功率，跟蹤最佳的轉速參考值；網(wǎng)側逆變器用來保持的DC-link電壓和向電網(wǎng)輸出有功和無功。當電網(wǎng)電壓跌落時，由于電流不能突變，Pgrid迅速變小。然而機側整流器仍保持PMSG的最大功率輸出，Pgen基本不變；與此同時網(wǎng)側逆變器為了傳送等量的有功，需增大輸出電流，而流過逆變器的最大電流值由參考的限幅值決定，使輸出功率增加受到限制。根據(jù)式（5），在電壓跌落時，將會有更多的能量儲存在DC-link的電容上，這必然導致udc升高，這會對變流器造成損壞。

為此，本文引入一種基于功率變換的控制方法，控制結構如圖3所示，圖中gθ為轉子位置角；Ld、Lq分別為發(fā)電機在d、q軸下的電感；ugd、ugq分別為定子電壓的d、q分量；igd、igq分別為定子電流的d、q分量；eω為發(fā)電機電角速度；ψf為永磁體磁鏈；usd和usq為逆變器的d、q軸電壓分量；isd和isq為逆變器的d、q軸電流分量；esd和esq為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量；gω為電網(wǎng)角頻率。

在圖3所示的控制系統(tǒng)中，機側整流器的目的是維持電壓udc的值保持在一定的范圍；網(wǎng)側逆變器的目標是能根據(jù)風能捕獲原則輸出最佳功率。機側整流器是采用電流igd為內環(huán)、電壓udc為外環(huán)的雙閉環(huán)控制結構。以DC-link的額定電壓為電壓參考值，實際的udc為負反饋，經(jīng)PI調節(jié)得到。網(wǎng)側逆變器也采用雙閉環(huán)控制結構。由電網(wǎng)電壓和電流得到系統(tǒng)所要輸出的有功功率，利用式（3）最大風能跟蹤原則中功率與風機參考轉速的關系，得到轉速參考值，但當轉速高于或等于1p.u.時，為1。從而使系統(tǒng)能根據(jù)注入電網(wǎng)有功功率的需求，使發(fā)電機運行在最佳轉速，實現(xiàn)最大風能跟蹤。

式中Q為電網(wǎng)需要的無功功率；i為逆變器允許流過的最大電流值。

圖3 新的控制結構

當系統(tǒng)聯(lián)結點的電壓跌落時，直流母線兩側輸入功率大于輸出功率。為了保持直流母線上電壓為常數(shù)，由于udc的負反饋，機側整流器將減小電流igd來減小發(fā)電機輸出功率，由式（5）可知udc將得到有效的抑制。但如果系統(tǒng)不采用變槳控制，Pm基本不變，由式（4）可知，這將會使得風力機的轉速升高，然而對于MW級的風力發(fā)電機來說，轉速的提升是比常小的。

3 仿真與分析

本文針對圖1所示容量為2MW的直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，在 MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下，對傳統(tǒng)控制方法和本文提出的控制方法進行對比分析。假定風速為11m/s，圖4所示的是在0.02s-0.72s并網(wǎng)點電壓跌落至 15%時（圖 4a），在傳統(tǒng)的控制方法和新的控制方法下，系統(tǒng)的LRVT能力。

仿真參數(shù)如下：

（1）風力機：空氣密度1.225kg/m3，風輪半徑40m，額定風速11m/s；

（2）PMSG：極對數(shù) 40，定子線電壓 730V，機組轉動慣量 4.32，磁感應強度 1.2pu，定子相電阻為0.006pu，交軸電感 Xd為 1.305p.u.，直軸電感 Xq為0.474p.u.，額定轉速2.5rad/s；

（3）變流器：直流電容0.2F，直流電壓1100V，開關頻率 2kHz，輸出額定電壓 690V，輸出的限定電流1.1p.u.，無功設定值0，電網(wǎng)角頻率50Hz。

當電網(wǎng)電壓跌落時，系統(tǒng)的輸出功率迅速減小，如圖4b。為了保持DC-link上電壓為一定值，機側整流器將減小電流igd來減小發(fā)電機輸出功率，從圖4e中可以看到，在新的控制方法下，發(fā)電機的輸出功率迅速變小了，由圖4c可知，DC-link上電壓udc在一個比較小的范圍內變化，上升的幅值比在傳統(tǒng)控制方法下的小很多。然而由式（4）可知，由于功率不平衡，會使一部的能量存儲在風力機上，這樣風力機的轉速wω提升了一些，上升的幅度在0.08內，在安全范圍內，如圖4d。由于無功功率的控制在本文的控制和傳統(tǒng)的控制方法一樣，為了調節(jié)并網(wǎng)點電壓，無功功率輸出基本上沒有變化，如圖4f。

圖4 電網(wǎng)電壓驟降下傳統(tǒng)的和新的控制的仿真對比

4 結論

本文在傳統(tǒng)功率變換器控制方法的基礎上，提出一種基于功率變換的控制策略，通過發(fā)電機側整流器來調節(jié)直流母線電壓，而網(wǎng)側逆變器則用來從風能中跟蹤最大的功率。仿真結果表明，當電網(wǎng)故障引起電壓的大幅跌落時，本文提出的控制方法能有效地減小直流母線上的電壓上升，從而提高其低電壓穿越的能力，保證風電系統(tǒng)能安全有效地度過電網(wǎng)故障。但由于PMSG的轉子沒有阻尼繞組和勵磁繞組，發(fā)電機的轉速波動較大，需引入阻尼控制抵制波動，這有待進一步研究。

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