李和明 董淑惠 王 毅 任亞釗

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 保定 071003）

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)穿透率的不斷增加，風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響[1-3]已不容忽視。近期由于并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力而引發(fā)的多次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，已影響到電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越問(wèn)題亟待解決[4]，尤其對(duì)于已并網(wǎng)的不具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組，急需可靠并經(jīng)濟(jì)的改造方案。而對(duì)已具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組，還應(yīng)提高其對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支持能力，從而穩(wěn)定電網(wǎng)故障情況下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓，避免因電網(wǎng)無(wú)功重新分配或晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor, TCR）脫網(wǎng)時(shí)電壓波動(dòng)引起的高電壓穿越等問(wèn)題。

目前，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越研究大多針對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組，需采用主動(dòng)式或被動(dòng)式Crowbar來(lái)避免風(fēng)機(jī)變流器的過(guò)電壓和過(guò)電流，雖然可以滿(mǎn)足并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)低電壓穿越的要求，但存在以下固有問(wèn)題：

（1）雙饋電機(jī)變?yōu)椴皇芸氐漠惒桨l(fā)電機(jī)運(yùn)行后，穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍受最大轉(zhuǎn)差率所限而變小，若變槳系統(tǒng)未能快速限制捕獲的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，仍很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升。

（2）由于Crowbar動(dòng)作前后，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁分別由變流器和電網(wǎng)提供，兩種狀態(tài)的切換會(huì)在低電壓穿越過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)造成無(wú)功沖擊。

（3）即使在低電壓穿越過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)變流器保持聯(lián)網(wǎng)，受其容量限制，提供的無(wú)功功率主要供給異步發(fā)電機(jī)建立磁場(chǎng)，而對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功支持很弱[5-8]。

通過(guò)全功率變流器并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG），已被證實(shí)在低電壓穿越特性方面更具優(yōu)勢(shì)[9,10]。其實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題在于維持變流器直流環(huán)節(jié)電容電壓的穩(wěn)定[11]。而通過(guò)穩(wěn)定直流電壓實(shí)現(xiàn)PMSG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的研究方案主要有：通過(guò)在直流側(cè)安裝卸荷電路消納多余的能量[12]；在直流側(cè)安裝儲(chǔ)能裝置，如超級(jí)電容等，快速吞吐有功功率[13,14]；并聯(lián)輔助變流器增加直流側(cè)功率的輸出通道[15,16]。上述方法均需增加外部硬件電路，增加了變流器的體積及成本；并且在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于限流狀態(tài)，無(wú)法對(duì)電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)的無(wú)功支持；在低電壓穿越前后，網(wǎng)側(cè)變流器在直流電壓控制和限流控制之間的切換會(huì)造成直流電壓的波動(dòng)。

本文主要研究全功率變流器并網(wǎng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障穿越時(shí)的有功和無(wú)功協(xié)調(diào)控制，從而提高其低電壓穿越能力，并對(duì)電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)支持。文中首先分析PMSG風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的傳統(tǒng)控制策略，研究電網(wǎng)電壓跌落引起直流側(cè)電壓波動(dòng)的原因及Crowbar保護(hù)原理；在此基礎(chǔ)上提出一種適用于全功率變流器并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的新型控制方案，該方案無(wú)需外加Crowbar電路，采用機(jī)側(cè)變流器控制直流側(cè)電壓，而有功和無(wú)功的協(xié)調(diào)控制由網(wǎng)側(cè)變流器完成；并從理論上分析所提出控制方法對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響；最后，在基于Matlab/Simulink構(gòu)建的PMSG風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)仿真模型上對(duì)所提控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 PMSG的數(shù)學(xué)模型及控制策略

圖1為采用雙PWM變流器并網(wǎng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖。PMSG傳統(tǒng)控制策略是通過(guò)機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤；通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和單位功率因數(shù)控制；當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)Crowbar保護(hù)電路消納多余能量，實(shí)現(xiàn)PMSG的低電壓穿越。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematic diagram of a PMSG-based wind generation system

2.1 機(jī)側(cè)變流器的控制策略

PMSG在 dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量數(shù)學(xué)模型為

式中，ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度；Vs、Is分別為定子電壓、電流矢量；ψs、ψf分別為定子磁鏈?zhǔn)噶俊⑥D(zhuǎn)子永磁體在定子中感應(yīng)的磁鏈?zhǔn)噶?；Ls_d、Ls_q分別為定子 d軸和 q軸電感；Rs為定子電阻；Te、Ps、Qs分別為PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)有功、無(wú)功功率；p為PMSG的極對(duì)數(shù)。

忽略定子電阻及定子磁鏈變化，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈?zhǔn)噶可?，由式?）可得PMSG定子側(cè)有功、無(wú)功和電磁轉(zhuǎn)矩方程為

由式（2）可知，通過(guò)分別控制定子電流的d軸分量Is_d和q軸分量Is_q，實(shí)現(xiàn)PMSG機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control diagram of the generator-side converter

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

圖4為全功率變流器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下矢量等效電路。由圖4可知，全功率變流器的電壓、功率方程為

圖3 PMSG最大功率跟蹤曲線Fig.3 Maximum power point tracking curve of PMSG

圖4 全功率變流器的矢量等效電路Fig.4 Equivalent circuits of a ful-scale frequency converter

式中，Vg、Ig分別為網(wǎng)側(cè)電壓、電流矢量；Vc為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)輸出電壓矢量；Rc、Lc分別為網(wǎng)側(cè)濾波電抗器的等效電阻、電感；C、Vdc分別為直流側(cè)電容、直流側(cè)電壓；Pg、Qg分別為網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功功率。

忽略電阻Rc及電感Lc的電磁暫態(tài)，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，由式（3）可得 PMSG網(wǎng)側(cè)變流器有功、無(wú)功功率方程為

由式（4）可知，通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流d軸分量Ig_d和q軸分量Ig_q的分別控制，實(shí)現(xiàn)PMSG網(wǎng)側(cè)變流器功率解耦控制。

傳統(tǒng)控制策略通常采用網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)直流電壓控制及單位功率因數(shù)控制，控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control diagram of the grid-side converter

3 電壓跌落時(shí)直流電壓波動(dòng)及抑制原理

由圖1可知，風(fēng)電機(jī)組捕獲的機(jī)械功率為Pm，PMSG輸出的電磁功率Ps經(jīng)機(jī)側(cè)變流器后饋入直流側(cè)，網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)控制直流電壓的恒定送入電網(wǎng)的有功功率為Pg。在穩(wěn)態(tài)并忽略損耗的情況下，Pm=Ps=Pg，轉(zhuǎn)速和直流電壓均保持穩(wěn)定。

系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，由式（4）可知，電網(wǎng)電壓的跌落與恢復(fù)引起Vg變化、而系統(tǒng)側(cè)的功率振蕩及變流器的限流控制等因素引起Ig變化，從而導(dǎo)致PMSG網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率Pg不穩(wěn)定。由于全功率變流器的隔離作用，風(fēng)電機(jī)組仍工作于最大功率跟蹤狀態(tài)，由圖3最大功率跟蹤控制曲線可知，機(jī)側(cè)變流器有功輸出Ps僅取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，由于風(fēng)電機(jī)組慣性較大，在電網(wǎng)擾動(dòng)過(guò)程中Ps變化不大，因而捕獲的風(fēng)電功率并未因電壓跌落而變化。此時(shí)Ps≠Pg，即直流側(cè)功率無(wú)法平衡。由式（3）可得，PMSG直流側(cè)電容器的充放電功率為

由上式可知，功率的不平衡將導(dǎo)致直流電壓抬升及劇烈波動(dòng)而影響其穩(wěn)定運(yùn)行。

為抑制直流電壓的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越，傳統(tǒng)控制方案通常需要在直流側(cè)安裝卸荷電路（如Crowbar保護(hù)電路）消納多余的能量。實(shí)際上，若能在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)利用機(jī)側(cè)變流器及時(shí)控制調(diào)節(jié)PMSG功率輸出，保持Ps=Pg，則直流電壓波動(dòng)也能得到有效抑制。而此時(shí)，系統(tǒng)功率的不平衡將轉(zhuǎn)變?yōu)镻MSG的機(jī)械功率Pm和電磁功率Ps的不平衡，這引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化[18]，即

式中，ΔPe為PMSG有功變化量；ωe為PMSG轉(zhuǎn)子的電角速度；JP為PMSG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由上述分析可知，在電網(wǎng)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，若將變流器能量不平衡轉(zhuǎn)化為PMSG旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的變化，則可使直流電壓波動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。將式（5）和式（6）在相同時(shí)間段Tk內(nèi)積分，在同樣的功率不平衡情況下，引起的轉(zhuǎn)速變化和直流電壓變化之間的關(guān)系為

式中，ωe0、ωe1分別為PMSG在Tk時(shí)間段前后的電角速度；Vdc_N為直流電壓額定值。將式（7）轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值形式，則可得

式中，ωe_N為PMSG的額定轉(zhuǎn)速；Ec為電容額定電壓時(shí)儲(chǔ)存的電能；Ek為PMSG額定轉(zhuǎn)速時(shí)儲(chǔ)存的動(dòng)能。

在電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)后，由于變流器限流或輸出功率振蕩，PMSG輸出的電磁功率無(wú)法和捕獲的風(fēng)功率相平衡。式（8）反映了在相同的不平衡功率作用下引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化和電容直流電壓變化的關(guān)系。通常風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械儲(chǔ)能Ek遠(yuǎn)大于電容器儲(chǔ)能Ec[19]，由式（8）可知，若 PMSG的功率不平衡由機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)，此時(shí)所引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)遠(yuǎn)小于由直流電容承擔(dān)不平衡功率時(shí)引起的電壓波動(dòng)。并且變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)械功率Pm限制轉(zhuǎn)速，從而使PMSG在故障擾動(dòng)過(guò)程中具有更好的穩(wěn)定性。為使不平衡功率只作用在機(jī)械系統(tǒng)而不影響直流電壓，需要對(duì)變流器的傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

4 PMSG的新型低電壓穿越控制策略

4.1 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

圖6為本文所提永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的新型控制策略圖，其中機(jī)側(cè)變流器控制直流電壓及發(fā)電機(jī)交流電壓，而網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制及系統(tǒng)側(cè)的無(wú)功與電壓控制。在該控制策略中，直流電壓在電網(wǎng)故障擾動(dòng)前后始終由不受電網(wǎng)故障干擾的機(jī)側(cè)變流器控制，穩(wěn)定性更好；由于輸出有功與無(wú)功功率的控制同在網(wǎng)側(cè)變流器中完成，易于在故障穿越過(guò)程中對(duì)其協(xié)調(diào)控制；該控制策略無(wú)需增加直流卸荷電路。

圖6 基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能方式的變流器控制策略圖Fig.6 Control diagrams of full-scale converter based on rotor energy storage

網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)判斷電網(wǎng)電壓Vg實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功和無(wú)功功率的協(xié)調(diào)控制。如圖6b所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，為有功優(yōu)先的最大功率跟蹤控制，即在對(duì)有功和無(wú)功電流限幅時(shí)，首先滿(mǎn)足有功電流；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)變流器的限流作用，若繼續(xù)執(zhí)行有功優(yōu)先控制，則網(wǎng)側(cè)變流器僅處于功率限幅狀態(tài)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)提供無(wú)功支持，因此采用無(wú)功優(yōu)先控制。在網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功電流控制環(huán)節(jié)加入限流控制，防止有功電流突變所引起的直流側(cè)電容充放電電流的突變，從而有效抑制因網(wǎng)側(cè)變流器工作模式切換而引起的直流電壓的波動(dòng)。

風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落過(guò)程中只是對(duì)系統(tǒng)提供一定的無(wú)功支持，并不能使并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到額定值，因此不再采用PI控制，而是根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落的幅度調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功電流，改善電壓跌落情況，進(jìn)而提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。國(guó)網(wǎng)公司的并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求總裝機(jī)容量在百萬(wàn)千瓦級(jí)規(guī)模及以上的風(fēng)電場(chǎng)群，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時(shí)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在低電壓穿越過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流為

式中，Vg為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電場(chǎng)額定電流。無(wú)功優(yōu)先控制時(shí)的無(wú)功電流根據(jù)式（9）計(jì)算得到。

4.2 系統(tǒng)的工作原理

圖7為基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能方式實(shí)現(xiàn)PMSG低電壓穿越控制策略的工作原理。如圖7所示，以9m/s風(fēng)速為例，PMSG運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài)，運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定在最大功率跟蹤曲線上的A點(diǎn)，輸出有功功率為PA；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率受限，限幅值為Plim，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)切換到O點(diǎn)，有功輸出鉗位在Plim。采用機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)變流器直流電壓的穩(wěn)定，將變流器兩端的功率不平衡轉(zhuǎn)移到PMSG的轉(zhuǎn)子上，促使轉(zhuǎn)子加速儲(chǔ)存動(dòng)能，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)由O點(diǎn)切換到B點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率限幅值恢復(fù)到其額定值PN，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行點(diǎn)由 B點(diǎn)切換至 C點(diǎn)；此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出功率PC大于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率Pm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子減速，釋放動(dòng)能，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)由C點(diǎn)沿最大功率跟蹤曲線Popt移動(dòng)到A點(diǎn)，恢復(fù)至故障前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能方式實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的工作原理Fig.7 Principle of achieving low voltage ride through based on the rotor energy storage

根據(jù)式（6）可得

式中，t0為電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)刻；Tk為電網(wǎng)故障持續(xù)時(shí)間；ωe0和ωe1分別為故障發(fā)生前后轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)額定風(fēng)速時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出額定功率PN，此時(shí)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障，最不利于風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。若電網(wǎng)電壓跌落深度為額定電壓的100%，則網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的限幅值Plim為0。在這種極端情況下的故障持續(xù)時(shí)間Tk內(nèi)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化量可表示為

由式（11）可知，在整個(gè)故障持續(xù)時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化可表示為

慣性時(shí)間常數(shù)H的定義為

將式（13）代入式（12）可得

風(fēng)力機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)Hturb的典型取值范圍是3.0～6.0s，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)Hgen的典型取值范圍是0.4～0.8s[18]。由式（14）可知，采用基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能方式實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子增速的極限范圍為 4%～8%，并且風(fēng)力機(jī)變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在轉(zhuǎn)子超速時(shí)及時(shí)限制轉(zhuǎn)速，因此該方法不會(huì)引起太大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)及過(guò)速保護(hù)動(dòng)作。

5 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本文基于 Matlab/Simulink搭建了直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)與基于Crowbar保護(hù)電路的傳統(tǒng)低電壓穿越方法的對(duì)比，驗(yàn)證本文所提出低電壓控制策略的動(dòng)態(tài)性能及對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)下表。

圖8 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of the grid-connected PMSG-based wind generation system

表 風(fēng)電系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab. Parameters of PMSG-based wind power system

通過(guò)該仿真系統(tǒng)，對(duì)兩種控制方式下的低電壓穿越和高電壓穿越分別作了仿真研究。電網(wǎng)在 2s時(shí)發(fā)生電壓跌落故障，電壓跌落深度為額定電壓的80%，持續(xù)時(shí)間為0.625s；在4~5s期間電網(wǎng)電壓抬升15%。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9a和圖9b分別為在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)后，在傳統(tǒng)變流器控制策略下基于Crowbar的低電壓穿越方式和本文所提出有功和無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略下基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的低電壓穿越控制方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比，包括電網(wǎng)電壓Vabc、電網(wǎng)電流Iabc、風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率Pm、機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器有功功率Ps和Pg、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωe、網(wǎng)側(cè)變流器的有功電流和無(wú)功電流Id、Iq和變流器直流側(cè)電壓Vdc。

圖9 兩種控制策略下PMSG低電壓穿越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比Fig.9 The comparison of PMSG low voltage ride through dynamic responses in both control strategies

由圖9a可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障時(shí)，在基于Crowbar的傳統(tǒng)控制策略下，網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)入限流模式，輸出有功Pg下降至 20%，并且由于Id限幅已不能再控制直流電壓；故障期間機(jī)側(cè)變流器仍處于最大功率跟蹤控制狀態(tài)，PMSG捕獲的機(jī)械功率Pm和機(jī)側(cè)變流器有功Ps均未發(fā)生變化，從而引起直流側(cè)電容兩端功率不平衡，造成直流電壓Vdc升高，觸發(fā)Crowbar電路中功率開(kāi)關(guān)動(dòng)作來(lái)維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功輸出Pg恢復(fù)至故障前的水平，并退出限流狀態(tài)恢復(fù)對(duì)直流電壓的控制作用，但在與Crowbar切換控制直流電壓過(guò)程中，會(huì)引起直流電壓Vdc的短暫跌落，之后迅速穩(wěn)定在額定值。在低電壓穿越過(guò)程中，由于網(wǎng)側(cè)變流器已處于限流狀態(tài)，并全部為有功分量Id，并未對(duì)電網(wǎng)起到無(wú)功支持的作用，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落情況沒(méi)有得到改善，跌落幅度仍為額定值的80%。

由圖9b可知，在本文所提出的有功和無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略下，電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生后，網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)入限流模式而不再進(jìn)行最大功率跟蹤控制，輸出有功功率Pg受限；機(jī)側(cè)變流器通過(guò)限制 PMSG的有功輸出Ps，抑制直流電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓Vdc的穩(wěn)定；而此時(shí)功率的不平衡體現(xiàn)為PMSG機(jī)械功率Pm與電磁功率Ps的不平衡，引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωe加速，轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存了低電壓穿越過(guò)程中的不平衡能量。由于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械儲(chǔ)能能力遠(yuǎn)大于電容器儲(chǔ)能能力，該仿真算例在電壓跌落期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加幅度約為額定轉(zhuǎn)速的 3%。在電壓恢復(fù)后，網(wǎng)側(cè)變流器重新運(yùn)行于最大功率跟蹤狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸降至故障前水平，從而釋放了所存儲(chǔ)的電壓跌落過(guò)程未輸出的能量ΔP，而對(duì)于Crowbar方式這部分能量則完全被消耗掉；由于機(jī)側(cè)變流器一直處于直流電壓控制狀態(tài)，因而直流電壓Vdc波動(dòng)較小。在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中，雖然網(wǎng)側(cè)變流器也處于限流狀態(tài)，但通過(guò)無(wú)功功率優(yōu)先控制，此時(shí)以輸出無(wú)功電流為主，根據(jù)式（9），Iq=0.9(pu)，對(duì)電網(wǎng)電壓提供動(dòng)態(tài)支持，電網(wǎng)電壓跌落幅度由原來(lái)的 80%減小到了70%，電網(wǎng)電壓跌落情況得到改善。在4s之后，電網(wǎng)電壓抬升15%，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器切換為無(wú)功優(yōu)先控制模式，通過(guò)吸收無(wú)功電流（Iq=1.1(pu)）將電壓調(diào)整到安全運(yùn)行范圍內(nèi)（Vg=1.03(pu)），雖然有功輸出Pg略有減小，但可有效避免風(fēng)電機(jī)組因過(guò)電壓而脫網(wǎng)。

6 結(jié)論

本文提出了一種適合永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能的新型控制策略。該控制策略采用機(jī)側(cè)變流器控制直流電壓，網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行最大功率跟蹤控制，從而將電壓跌落過(guò)程中功率不平衡使電容電壓升高的電磁暫態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高的機(jī)電暫態(tài)問(wèn)題，利用風(fēng)機(jī)的慣性?xún)?chǔ)能來(lái)進(jìn)行低電壓穿越；并可根據(jù)電網(wǎng)電壓對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以提高在電壓跌落和抬升時(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。該控制策略除無(wú)需增加外部硬件電路，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在低電壓穿越過(guò)程中，有效利用轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能減小有功損失。

（2）電網(wǎng)電壓跌落前后，機(jī)側(cè)變流器一直處于直流電壓控制狀態(tài)，而不存在變流器與Crowbar的控制切換，直流電壓波動(dòng)更小。

（3）通過(guò)有功和無(wú)功的協(xié)調(diào)控制，還可有效對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)無(wú)功潮流調(diào)整和無(wú)功補(bǔ)償裝置中的TCR脫網(wǎng)等引起的高電壓進(jìn)行穿越。

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