，，，，

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065；2.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072）

1 引言

近年來，全球風(fēng)電快速發(fā)展，截止2011年，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了199.5 GW，未來幾年全球累計(jì)裝機(jī)將很可能超過300 GW。風(fēng)電的發(fā)展主要集中在亞洲、歐洲、和北美3個地區(qū)；亞洲作為風(fēng)電發(fā)展的新型市場，具有良好的政策環(huán)境支撐，其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐洲和北美［1］。2012年6月我國并網(wǎng)風(fēng)電達(dá)到5 258萬kW躍居世界第一，并網(wǎng)風(fēng)電容量的不斷增加使其對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電逐漸成為風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢。國內(nèi)外大量專家對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制做了詳細(xì)研究，尤其是針對不同情況下直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電前饋控制的研究。文獻(xiàn)［2］將電網(wǎng)電流作為前饋補(bǔ)償量引入網(wǎng)側(cè)換流器中，以提高控制的精度和動態(tài)響應(yīng)速度及減少系統(tǒng)對電流內(nèi)環(huán)控制調(diào)節(jié)器增益的依賴。文獻(xiàn)［3］直流電壓作為前饋補(bǔ)償量參與網(wǎng)側(cè)換流器的控制能有效地減少換流器傳輸功率變化直流電壓的波動。文獻(xiàn)［4-5］在雙PWM控制的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用傳統(tǒng)直流電壓閉環(huán)控制和改進(jìn)協(xié)調(diào)控制配合來提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。以上文獻(xiàn)對電網(wǎng)電流和直流電壓作為前饋補(bǔ)償量以及協(xié)調(diào)控制做了詳細(xì)研究；但沒有考慮將饋入電網(wǎng)有功功率和電網(wǎng)電壓以及發(fā)電機(jī)輸出功率作為前饋補(bǔ)償量對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流電壓和饋入電網(wǎng)有功功率的影響，且沒有分析多種前饋補(bǔ)償量同時作用時對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。

本文從直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本控制原理以及網(wǎng)側(cè)換流器前饋補(bǔ)償控制兩個方面來詳細(xì)分析直驅(qū)風(fēng)電場的基本原理和控制方式；提出發(fā)電機(jī)輸出有功功率、饋入電網(wǎng)有功功率、電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制以及多種前饋補(bǔ)償量結(jié)合的控制方式，并通過仿真比較了這幾種不同的前饋控制方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、傳動軸、同步發(fā)電機(jī)、換流器和控制系統(tǒng)等部分組成。直驅(qū)發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)直接耦合，發(fā)出頻率和電壓均隨著風(fēng)速變化的交流電，再由換流設(shè)備經(jīng)整流逆變得到符合并網(wǎng)要求的工頻交流電。改變換流器的控制可調(diào)節(jié)輸出有功和無功功率以滿足電網(wǎng)要求［6］。

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的換流器可采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前主要使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有2種：一種是電機(jī)側(cè)采用二極管整流，經(jīng)過直流斬波升壓，網(wǎng)側(cè)采用可控逆變的方式；另一種采用背靠背雙IGBT換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［7-8］。第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其成本低、控制方式簡單，具備一定的無功調(diào)節(jié)能力，成為當(dāng)前直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型之一。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，idc1,idc2,Udc1,Udc2,Ps,Pg,Vgabc,egabc分別為機(jī)側(cè)直流電流、網(wǎng)側(cè)直流電流、機(jī)側(cè)直流電壓、網(wǎng)側(cè)直流電壓（電容電壓）、發(fā)電機(jī)輸出功率、饋入電網(wǎng)有功功率、網(wǎng)側(cè)換流器出口交流電壓和電網(wǎng)電壓。

圖1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of direct-drive wind power system

2.1 機(jī)側(cè)控制的基本原理

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組換流器采用的是不可控整流+boost+可控逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其最大風(fēng)能追蹤和功率的輸出均由DC-DC和逆變器來控制。因此DC-DC和逆變器的控制方式就顯得格外重要。

槳距角控制主要是在風(fēng)速大于額定風(fēng)速時調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距角從而達(dá)到風(fēng)能穩(wěn)定輸出的目的。此控制器用風(fēng)能跟蹤曲線f（Ps）保證在風(fēng)電機(jī)組出力在常數(shù)C（一般為0.75）以上時保持額定轉(zhuǎn)速，同時，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時，要采用槳距角控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能持續(xù)穩(wěn)定的有功輸出。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)過二極管整流后，通過控制直流斬波中IGBT的開通時間和頻率，用于改變直流斬波的占空比，從而間接控制其直流傳輸?shù)挠泄β屎桶l(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使其具備最大風(fēng)能捕獲（MPPT）的能力［9］。

2.2 網(wǎng)側(cè)控制的基本原理

網(wǎng)側(cè)逆變器采用PWM脈寬調(diào)制控制方式：將電氣量實(shí)際值與參考值之間的偏差值作為輸入，經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)，得到調(diào)制比M和移相角δ，輸入到換流閥控制層，生成相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，對換流器中的IGBT閥進(jìn)行控制［10］。

本文中逆變器采用的主要控制方式為定直流電壓（Udc）控制和定無功功率控制；雙閉環(huán)（電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)）的控制方式可以使得換流器輸出有功和無功解耦控制［11-12］，如圖2中①所示。定直流電壓控制一方面可以直接控制發(fā)電機(jī)整流后的電壓和電流，從而可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率；另一方面也可以間接控制網(wǎng)側(cè)換流器饋入電網(wǎng)的有功功率，使其功率能夠平滑輸出［13］。

圖2 網(wǎng)側(cè)換流器前饋補(bǔ)償控制原理圖Fig.2 The control block diagram of the grid inverter of direct-drive wind power

3 前饋補(bǔ)償控制方式

前饋補(bǔ)償控制因子通常疊加在電氣量的參考值上。將不同的補(bǔ)償因子引入前饋參考量的計(jì)算中，得到所需電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的參考值，從而改變調(diào)制比M和移相角δ來達(dá)到預(yù)期的控制目的。

本文所采用的前饋補(bǔ)償量有發(fā)電機(jī)輸出功率、饋入電網(wǎng)的有功功率和電網(wǎng)電壓。

3.1 發(fā)電機(jī)輸出功率前饋補(bǔ)償

忽略二極管和網(wǎng)側(cè)換流器的損耗時發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率和饋入電網(wǎng)的有功功率分別為Ps和Pg：

由直流斬波電路的特性，忽略直流線路中直流線路功率損耗考慮換流器直流電容的影響時有功功率平衡公式為

進(jìn)而可以整理為

將Ps/Vgd作為前饋補(bǔ)償量，與網(wǎng)側(cè)換流器電容電壓比例積分調(diào)節(jié)器的輸出之和作為網(wǎng)側(cè)換流器電流內(nèi)環(huán)控制的給定值，有利于風(fēng)速變化時發(fā)電機(jī)輸出功率變化對電網(wǎng)的影響。其基本控制結(jié)構(gòu)如圖2中②所示。

3.2 饋入電網(wǎng)有功功率前饋控制

電網(wǎng)電壓發(fā)生波動或者電網(wǎng)某處發(fā)生短路故障時均會影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，這主要體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組換流器的直流電壓和其饋入電網(wǎng)的有功功率發(fā)生變化［14］。因此有必要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組饋入電網(wǎng)的有功功率，作為網(wǎng)側(cè)換流器的前饋補(bǔ)償量參與逆變器的控制來維持換流器直流電壓的穩(wěn)定和功率的平穩(wěn)輸出。

式中：為額定輸出功率；Pgmeans為實(shí)際饋入電網(wǎng)的有功功率；ΔUdc為功率發(fā)生變化時直流電壓產(chǎn)生相應(yīng)的波動。

將ΔUdc作為前饋補(bǔ)償量與直流電壓一起作為直流電壓的參考值，其基本控制結(jié)構(gòu)如圖2中所示。

3.3 電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制

電力系統(tǒng)中無功功率與電壓有著密切的關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，傳輸?shù)挠泄β蕰l(fā)生突變，故障切除時電網(wǎng)電壓也會有較大變化。將電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償量，可以間接影響其在故障條件下的無功輸出，不僅可以抑制電網(wǎng)電壓波動，也可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率的穩(wěn)定性。如前所述，本文采用igd與igq分別控制風(fēng)電場饋入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。采用電網(wǎng)電壓前饋控制時，將電網(wǎng)電壓的偏差經(jīng)過PI控制器得到參考值igqref的補(bǔ)償量Δigqref，與igqref一起構(gòu)成igq的參考值，達(dá)到間接控制其有功輸出和直流電壓的目的，其基本控制結(jié)構(gòu)圖如圖2中④所示。

3.4 復(fù)合前饋補(bǔ)償控制

為了能使饋入電網(wǎng)有功功率和換流器直流電壓能快速的在故障后恢復(fù)正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，有時候需要根據(jù)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要控制方式，選取兩個或多個前饋補(bǔ)償量同時作用。本文所選取的復(fù)合前饋補(bǔ)償控制如下。

1）電網(wǎng)電壓和饋入電網(wǎng)有功功率前饋補(bǔ)償控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障電壓跌落時會直接影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及其饋入電網(wǎng)的有功功率；因此，這兩種前饋補(bǔ)償量同時作用時能有利于減小饋入電網(wǎng)有功功率和直流電壓的波動以及提高其在故障后恢復(fù)的速率。

2）電網(wǎng)電壓、饋入電網(wǎng)有功功率及發(fā)電機(jī)輸出功率前饋補(bǔ)償控制。結(jié)合這3種前饋補(bǔ)償控制方式不僅有利于提高饋入電網(wǎng)的功率平衡，而且更能有效地提高換流器直流電壓的穩(wěn)定性，同時，也有利于減小電網(wǎng)故障時對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響。

4 仿真驗(yàn)證

本文采用Matlab/Simulink軟件仿真，搭建了2 MW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主控制為定直流電壓和定無功功率控制；在0.5 s直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障并持續(xù)0.1 s來驗(yàn)證各種前饋補(bǔ)償控制方式的作用和效果。

系統(tǒng)參數(shù)為：每臺風(fēng)電機(jī)組額定容量2 MW（5臺并聯(lián)接入電網(wǎng)），發(fā)電機(jī)輸出交流電壓730 V，網(wǎng)側(cè)換流器直流電壓1100 V，電容器電容值0.09 F，網(wǎng)側(cè)無功設(shè)置為0，換流器出口額定交流電壓575 V，額定風(fēng)速15 m/s。

4.1 各前饋補(bǔ)償控制單獨(dú)作用

從圖3和圖4中可以明顯看出，單獨(dú)采用發(fā)電機(jī)輸出功率、饋入電網(wǎng)有功功率和電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償量控制時，不僅能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在三相短路故障條件下有功功率能夠快速地恢復(fù)穩(wěn)定條件；同時，還能在一定程度上提高網(wǎng)側(cè)換流器直流電壓的穩(wěn)定性。

圖3 前饋補(bǔ)償控制時饋入電網(wǎng)有功功率Fig.3 The active power of feed-forward control

圖4 前饋補(bǔ)償控制時換流器直流電壓Fig.4 The DC voltage of using feed-forward control

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，采用發(fā)電機(jī)輸出功率前饋控制時，盡管可以在一定程度上使其更快地恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；同時，也會使其故障后直流電壓和饋入電網(wǎng)有功功率偏差過大，對設(shè)備的要求更高。采用饋入電網(wǎng)有功功率前饋補(bǔ)償控制時，能有效地減小直流電壓和有功功率的波動；采用電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制時，能最快地使其恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。其中采用電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制是這3種前饋補(bǔ)償控制中最優(yōu)的前饋補(bǔ)償控制，不僅能快速地恢復(fù)有功功率和直流電壓，直流電壓最大值的減小還能減小直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對換流器直流電容要求。

4.2 復(fù)合前饋補(bǔ)償控制

將饋入電網(wǎng)的有功功率、電網(wǎng)電壓參與直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制，饋入電網(wǎng)的有功功率、電網(wǎng)電壓及發(fā)電機(jī)輸出功率參與直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制時所得到的饋入電網(wǎng)有功功率和換流器直流電壓分別如圖5和圖6所示。

圖5 復(fù)合補(bǔ)償控制時饋入電網(wǎng)有功功率Fig.5 The active power of using composite feed-forward compensation control

圖6 復(fù)合前饋補(bǔ)償控制時換流器直流電壓Fig.6 DC voltage of using composite feedforward compensation control

圖5表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路時換流器饋入電網(wǎng)有功功率變化曲線，由圖5中各曲線可以看出，采用有功功率前饋補(bǔ)償控制與電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償結(jié)合控制時，能在一定程度上提高網(wǎng)側(cè)換流器直流電流恢復(fù)正常運(yùn)行的速度。由于這兩種控制分別通過igd和igq達(dá)到控制目的，因此，這兩種前饋補(bǔ)償控制均起作用時，能有效地體現(xiàn)這兩種控制單獨(dú)作用時的效果。仿真驗(yàn)證了采用這樣的前饋補(bǔ)償控制時，達(dá)到了理想的控制目標(biāo)。

當(dāng)本文所選取的3種前饋補(bǔ)償控制同時作用時，不管是采用饋入電網(wǎng)有功功率，還是發(fā)電機(jī)輸出功率作為前饋補(bǔ)償量，都將通過igd來實(shí)現(xiàn)；盡管發(fā)電機(jī)前饋補(bǔ)償控制的引入能更快地使有功輸出恢復(fù)穩(wěn)定，同時，也增大了故障后的有功功率最大值，使得直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對直流電容和換流器的要求有所增加。

圖6表示當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時直流電壓變化曲線。與圖4仿真曲線對比可以看出，當(dāng)輸出有功功率和電網(wǎng)電壓均起作用時，比這兩種前饋控制單獨(dú)作用時不僅使有功功率穩(wěn)定輸出更加快速，還可以避免當(dāng)故障切除后饋入電網(wǎng)的有功功率小于其額定值。由于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制的牽制作用，當(dāng)這3種前饋補(bǔ)償控制同時作用時，直流電壓不僅能更快地恢復(fù)穩(wěn)定，還可以防止直流電壓過大而降低對直流電容的要求，同時也能減小直流電壓的波動。

5 結(jié)論

不同的前饋補(bǔ)償因子反映直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)不同的性能指標(biāo)，前饋補(bǔ)償因子可以采用發(fā)電機(jī)側(cè)、直流側(cè)和電網(wǎng)側(cè)某些電氣量；在實(shí)際運(yùn)用中可以根據(jù)不同的控制目標(biāo)和不同的電網(wǎng)特性選擇不同的前饋補(bǔ)償因子。當(dāng)然，選擇什么樣的前饋補(bǔ)償量需要根據(jù)實(shí)際工程需要和控制目標(biāo)來選取，另外，還應(yīng)注意避免冗余控制。本文通過仿真分析表明：

1）有功功率、電網(wǎng)電壓、發(fā)電機(jī)輸出功率前饋補(bǔ)償控制單獨(dú)作用時，均能在一定程度上提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)饋入電網(wǎng)有功功率，并維持風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)換流器直流電壓的穩(wěn)定性；

2）采用兩種或多種前饋補(bǔ)償控制同時作用時，部分組合能綜合各自前饋控制單獨(dú)作用時的效果；例如，本文所選取的3種前饋補(bǔ)償控制方式同時作用時，能達(dá)到理想的控制目的，減小了對設(shè)備的要求。

風(fēng)電作為新能源的重要組成部分，將在未來電網(wǎng)中承擔(dān)非常重要的角色。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以選擇類似于本文所研究的前饋補(bǔ)償控制來進(jìn)行無功和電壓調(diào)整。

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