黃晟王輝廖武黃守道

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙410082）

基于VSC-HVDC串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制策略研究

黃晟王輝廖武黃守道

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙410082）

提出一種在柔性直流輸電中，針對(duì)串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（DD-PMSG）風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案，采取適用于串并聯(lián)接入方式的可變步長(zhǎng)爬山算法，使系統(tǒng)在運(yùn)行的安全范圍內(nèi)找到最佳功率點(diǎn)。變流器采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并提出基于電流環(huán)前饋的控制方案，以提高速度跟蹤時(shí)的響應(yīng)速度，并減少了穩(wěn)態(tài)誤差?？刂品桨竿ㄟ^(guò)MATLAB/Simulink仿真，實(shí)驗(yàn)表明該方案整體運(yùn)行效果穩(wěn)定，可很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)組的協(xié)調(diào)控制及最大風(fēng)能捕獲。

柔性直流輸電串并聯(lián)拓?fù)渑郎剿惴娏鳝h(huán)前饋

3　引言

相較于傳統(tǒng)的基于晶閘管的高壓直流輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電系統(tǒng)具有可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率，能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行［1，2］，可以向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，能夠起到靜止無(wú)功補(bǔ)償器的作用，穩(wěn)定交流母線電壓，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)快，產(chǎn)生諧波含量小等優(yōu)勢(shì)［3］，且因其本身控制簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)海上風(fēng)電場(chǎng)中的交流微網(wǎng)系統(tǒng)［4，5］。

海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電力匯集方式有交流匯集方式和直流匯集方式［6-8］兩種。目前已投入運(yùn)行的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)容量相對(duì)較小、電氣連接方式也較為簡(jiǎn)單，因此一般采取交流集電方式，但隨著海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)容量增大，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)均需要一套背靠背的變流器，且需要換流站將匯集的電能整流，交流匯集方式高成本的特點(diǎn)就展現(xiàn)出來(lái)。直流匯集方式是每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后所有電能在直流母線處匯集，經(jīng)高壓直流傳輸方式傳輸至岸上換流站匯流并網(wǎng)，這樣減少了變流器與傳輸線路的成本［9］。本文著重對(duì)直流匯集方式的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generator，DD-PMSG）風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究。

3　風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有串聯(lián)拓?fù)洹⒉⒙?lián)拓?fù)洹⒋⒙?lián)結(jié)合拓?fù)洌?0］等多種。串聯(lián)拓?fù)涫菍⑺杏来棚L(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器后串聯(lián)，將直流母線電壓抬高后再進(jìn)行直流傳輸，這種方式如果設(shè)計(jì)合理，則無(wú)需再加入DC-DC模塊進(jìn)行升壓處理，減少了設(shè)備的投入量，可直接達(dá)到直流輸電系統(tǒng)所需要的電壓等級(jí)，但串聯(lián)拓?fù)渚窒抻谄淙萘恳约叭蒎e(cuò)性較低，單臺(tái)機(jī)組發(fā)生故障后可能導(dǎo)致整套系統(tǒng)故障，對(duì)控制方案的穩(wěn)定性及可靠性要求很高。并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則相對(duì)簡(jiǎn)單，且每臺(tái)機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后不會(huì)影響到其他機(jī)組，控制方式較為簡(jiǎn)單，但每臺(tái)機(jī)組需升壓處理后才能達(dá)到直流輸電所需要的電壓等級(jí)，增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本［11］。結(jié)合上述兩種方式，串并聯(lián)拓?fù)浞绞接行Ы鉀Q了這些問(wèn)題。串并聯(lián)接入拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1　串并聯(lián)接入拓?fù)銯ig.1 The structure of series-parallel generators

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電壓型整流器連接，先將多臺(tái)DD-PMSG整流器于直流側(cè)串聯(lián)，將直流電壓升高至直流輸電系統(tǒng)要求的電壓等級(jí)，再將已串聯(lián)機(jī)組于直流側(cè)并聯(lián)，增加整個(gè)系統(tǒng)的容量。并聯(lián)后經(jīng)直流線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，經(jīng)模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）模塊組成的多電平換流站逆變升壓后并網(wǎng)。

串并聯(lián)拓?fù)潆m有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也增加了整個(gè)系統(tǒng)控制方案的控制難度。文獻(xiàn)［12］中的控制方案分為電壓正常模式和電壓限幅模式，正常模式下實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT，限幅模式下減小風(fēng)能的吸收或加大對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的獲取，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠成功應(yīng)對(duì)各種工況。文獻(xiàn)［13］提出了適用于串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速控制策略，可通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存和釋放能量以減小棄風(fēng)。但文獻(xiàn)［12，13］均未對(duì)如何實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲進(jìn)行詳細(xì)分析。文獻(xiàn)［14］提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)群輸出電壓超過(guò)電壓上限時(shí)就會(huì)停止上升，機(jī)群內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)都進(jìn)入恒電壓控制模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。如何在風(fēng)速變化的情況下尋找最佳功率點(diǎn)，當(dāng)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率不同時(shí)，如何維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及如何對(duì)整個(gè)串并聯(lián)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，這些都是在串并聯(lián)拓?fù)涞目刂品桨钢兴枰紤]的問(wèn)題。

3　機(jī)側(cè)變流器雙閉環(huán)控制策略

風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率表達(dá)式和機(jī)械轉(zhuǎn)矩表達(dá)式分別為［15］

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑，m；Vw為來(lái)流風(fēng)速，m/s；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；β為槳葉的槳距角；λ為葉尖速比；ωm為風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度，rad/s。

因?yàn)橹彬?qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)齒輪箱，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωm相等，即ωg=ωm，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的傳動(dòng)模型表達(dá)式為［16］

式中：Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；Bm為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)；Jeq為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

為了實(shí)現(xiàn)Pm最大化，CP是一個(gè)重要因素，槳葉的槳距角由變槳伺服控制，本文不做深入分析，葉尖速比為

由式（4）可知，當(dāng)Vw一定時(shí)，控制ωm就可控制λ的大小，結(jié)合式（2），只要通過(guò)整流器改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg的大小，便可改變Pm的大小。由式（3）可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩共同作用產(chǎn)生，風(fēng)力機(jī)決定機(jī)械轉(zhuǎn)矩，因此，通過(guò)控制電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PMSG電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為［17］

式中：np為風(fēng)力發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；ψd、ψq分別為定子磁鏈d-q軸分量，Wb；id、iq分別為定子電流d-q軸分量，A；Ld、Lq分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)直軸電抗和交軸電抗，H。當(dāng)不考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)凸極效應(yīng)時(shí)，Ld=Lq，則電磁轉(zhuǎn)矩公式簡(jiǎn)化為由此可知，通過(guò)控制iq便可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

本文設(shè)計(jì)的控制器采取電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的控制方式。為了捕獲最大風(fēng)能，采取適用于串并聯(lián)接入方式的可變步長(zhǎng)爬山算法，以求得最佳功率點(diǎn)。爬山算法追蹤最大風(fēng)能的思路是：不間斷地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速施以較小擾動(dòng)，計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率P（n），并與上個(gè)控制周期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率P（n-1）比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值dωT反號(hào)，否則，保持其符號(hào)不變。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率可表示為

可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小與角速度呈反比關(guān)系，即

式中K為擾動(dòng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)系數(shù)。到達(dá)最佳功率點(diǎn)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)角速度的導(dǎo)數(shù)應(yīng)為零［19］，即

在特殊風(fēng)況下，串聯(lián)機(jī)組中可能有一臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速很低，導(dǎo)致單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流側(cè)的電壓跌落，而其他機(jī)組的直流電壓則會(huì)相應(yīng)升高，如果單臺(tái)整流器直流側(cè)電壓超過(guò)直流側(cè)電容的耐壓值，會(huì)使整流器處于危險(xiǎn)工況下，增加了系統(tǒng)的故障率，因此，在運(yùn)用爬山算法時(shí)需對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行處理。

本文以4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)串聯(lián)，再將3個(gè)串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián)在直流傳輸線上的拓?fù)錇槔M(jìn)行分析，設(shè)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)相同，在一串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，電流相同，若不計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部損耗，由式（2）和式（8）可知

一臺(tái)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總功率可表示為

式中：Udc為直流傳輸線上電壓；Idc為串聯(lián)支路電流；Pe1、Pe2、Pe3、Pe4分別為串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組4臺(tái)發(fā)電機(jī)功率。發(fā)電機(jī)功率也可表示為

式中Un為單臺(tái)直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)直流側(cè)電壓，結(jié)合式（12）和式（13），得

因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)相同，由式（12）可知，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流器直流母線處電壓根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電磁功率的大小按比例進(jìn)行分配。機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm根據(jù)式（1）和式（2）可知

PMSG功率Pen與轉(zhuǎn)速的關(guān)系表達(dá)式為

聯(lián)立式（16）和式（14）可得到直流側(cè)電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的直接關(guān)系表達(dá)式。

通過(guò)考慮直流母線處電容的耐壓值來(lái)設(shè)定一個(gè)電壓最高值Umax和最低值Umin，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωn在一個(gè)安全范圍內(nèi)進(jìn)行爬山算法，得到最大功率點(diǎn)。因此每個(gè)串聯(lián)組中各風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器之間要進(jìn)行通信，當(dāng)最大功率追蹤處于上升階段時(shí)，在直流母線電壓過(guò)高時(shí)要減去一個(gè)速度補(bǔ)償量ω*d，直流母線電壓過(guò)低時(shí)要加上一個(gè)速度補(bǔ)償量ω*d，當(dāng)最大功率追蹤處于下降階段時(shí)則相反處理，以保證單臺(tái)機(jī)組整流器直流側(cè)分配的電壓不能太低也不能太高，達(dá)到系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的目的。適用于串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可變步長(zhǎng)爬山算法流程圖如圖2所示。

采樣4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速依次為ω1、ω2、ω3、ω4，計(jì)算此臺(tái)機(jī)組整流器直流側(cè)電壓是否在電壓的設(shè)定范圍之內(nèi)，如果不是則加或減一個(gè)速度補(bǔ)償量，直到速度變化至系統(tǒng)的安全范圍內(nèi)，再通過(guò)MPPT尋找最佳功率點(diǎn)，得到的結(jié)果匯總進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，以此達(dá)到最大風(fēng)能捕獲的目的。在時(shí)間間隔（n）和（n+1）之間，采樣發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和旋轉(zhuǎn)速度，功率斜率的計(jì)算公式為

步長(zhǎng)表達(dá)式為

式中：KMPPT為步長(zhǎng)調(diào)節(jié)系數(shù)。ω*d由實(shí)驗(yàn)得來(lái)，取值不應(yīng)太大。

圖2　爬山算法控制流程圖Fig.2 The flow chart of MPPT

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器單臺(tái)控制框圖如圖3所示，采取速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。

圖3　機(jī)側(cè)控制框圖Fig.3 The control strategy of generator side

3　引入電流環(huán)前饋控制策略

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速變化較大的情況下，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差以及轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度過(guò)慢無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)最大捕獲風(fēng)能的問(wèn)題，在電流閉環(huán)上增加電流前饋控制環(huán)節(jié)，利用前饋控制方法，無(wú)需被控量出現(xiàn)偏差，直接補(bǔ)償一個(gè)預(yù)先的估計(jì)值，達(dá)到最大化消除穩(wěn)態(tài)誤差的效果。以q軸電流為例，電流環(huán)控制框圖如圖4所示。

圖4　電流環(huán)控制框圖Fig.4 The control strategy of current loop

按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，選擇電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消被控對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，即

得電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)表達(dá)式為

在電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上再引入速度外環(huán)，因?yàn)樗俣拳h(huán)的截止頻率一般很低，所以相對(duì)于速度環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)H（s）可看做一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，作降階處理

則速度外環(huán)的的控制框圖如圖5所示。

圖5中，kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Tc為轉(zhuǎn)矩負(fù)載，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kωp、kωi分別為速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

圖5　速度環(huán)控制框圖Fig.5 The control strategy of speed loop

速度閉環(huán)是一個(gè)內(nèi)部包括電流內(nèi)環(huán)的高階系統(tǒng)，只有kωp、kωi在某個(gè)值時(shí)，才能等效為一階慣性環(huán)節(jié)，本文在電流環(huán)增加前饋控制，電流環(huán)前饋對(duì)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值增加到電流環(huán)的輸入，有效解決系統(tǒng)對(duì)速度信號(hào)調(diào)節(jié)的滯后性，降低誤差值，增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

只要按式（26）計(jì)算前饋函數(shù)F（s），便可使系統(tǒng)速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)H（s）=1，以實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)高準(zhǔn)確度無(wú)誤差地快速響應(yīng)經(jīng)MPPT計(jì)算得來(lái)的最佳功率點(diǎn)的角速度，以達(dá)到提高DD-PMSG最大風(fēng)能捕獲的目的。

3　仿真結(jié)果分析

在MATLAB/Simulink中，根據(jù)圖3的機(jī)側(cè)控制框圖，將12臺(tái)直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)搭建成4串3并結(jié)構(gòu)的仿真模型。已知發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電阻Rs=0.875Ω，定子電感Ls=8.5 mH，額定反電動(dòng)勢(shì)380 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，極對(duì)數(shù)為2，取開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，仿真采用純離散系統(tǒng)，對(duì)真實(shí)數(shù)字控制的環(huán)境進(jìn)行模擬，采樣周期為100μs。網(wǎng)側(cè)由MMC多電平換流站控制總直流母線，總直流母線電壓為2 400 V。以一串聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，設(shè)4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別為A、B、C、D，4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在前3 s都在7 m/s的風(fēng)速下運(yùn)行，在3 s時(shí)，A機(jī)組的風(fēng)速突變?yōu)?m/s，B機(jī)組的風(fēng)速突變?yōu)?m/s，C機(jī)組的風(fēng)速突變?yōu)?0 m/s，D機(jī)組的風(fēng)速突變?yōu)?2m/s，這4臺(tái)機(jī)組的直流側(cè)電壓、轉(zhuǎn)速、q軸電流如圖6～圖8所示。

圖6　4臺(tái)機(jī)組直流側(cè)電壓波形Fig.6 The voltage of4 DC bus

由圖6～圖9可看出，4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在相同風(fēng)速的情況下，直流側(cè)電壓相同，均穩(wěn)定在600 V，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也穩(wěn)定在65 rad/s，但當(dāng)3 s后風(fēng)速突變，發(fā)電機(jī)經(jīng)MPPT算法計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)速，并上升至相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，1.5 s后，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。此時(shí)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速已不同，由于每臺(tái)機(jī)組穩(wěn)定后的風(fēng)速不同，發(fā)電功率也就不同，直流側(cè)電壓隨功率的大小比例進(jìn)行重新分配，但4臺(tái)發(fā)電機(jī)直流側(cè)電壓之和依然為2 400 V。網(wǎng)側(cè)換流站采用MMC模塊化多電平方式控制直流母線，由圖9可看出，當(dāng)機(jī)側(cè)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)直流母線電壓可很好的維持穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)d軸電流沿斜坡上升，當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定后，達(dá)到新的穩(wěn)定值。

圖7　4臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速波形Fig.7 The speed of4 generators

圖8　4臺(tái)機(jī)組q軸電流波形Fig.8 The iqof4 generators

圖9　網(wǎng)側(cè)電壓電流波形Fig.9 The DC voltage and current of grid side

圖10為在特殊風(fēng)況下的仿真波形，4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在前1 s內(nèi)在7 m/s的風(fēng)速下運(yùn)行，直流側(cè)電壓均穩(wěn)定在600 V，在1 s后，A、B、C三臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速突變到1 m/s，D機(jī)組的風(fēng)速突變到13 m/s，設(shè)電壓最高值Umax=1 100 V和最低值Umin=200 V。由圖可看出，A、B、C三臺(tái)機(jī)組在風(fēng)速突變后，電壓均下降至約430 V，D機(jī)組直流側(cè)電壓上升，但維持在1 100 V以下，串并聯(lián)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍運(yùn)行在安全范圍內(nèi)。

圖10　特殊風(fēng)況下4臺(tái)機(jī)組直流側(cè)電壓電流波形Fig.10 The voltage of4 DC bus in special state

當(dāng)機(jī)側(cè)風(fēng)速變化較頻繁時(shí)，常規(guī)的轉(zhuǎn)速跟蹤無(wú)法快速地響應(yīng)速度給定值，本文對(duì)所提出的電流環(huán)前饋控制方法進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖11所示。

圖11　速度跟蹤比較波形Fig.11 Speed tracking comparison

當(dāng)速度給定為30～150 rad/s的正弦波，無(wú)前饋控制時(shí)，速度響應(yīng)無(wú)法完全跟蹤給定值，且存在一定誤差；有前饋控制時(shí)，系統(tǒng)可快速無(wú)誤差的跟蹤給定值，從而提高直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲效率。

3　結(jié)論

本文提出了一種在柔性直流輸電中，針對(duì)由直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的串并聯(lián)拓?fù)滹L(fēng)電場(chǎng)機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案，采取適用于串并聯(lián)拓?fù)涞目勺儾介L(zhǎng)爬山算法，使系統(tǒng)在運(yùn)行安全范圍內(nèi)找到最佳功率點(diǎn)，達(dá)到最佳風(fēng)能捕獲的目的，變流器采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并提出了基于電流環(huán)前饋的控制方案，無(wú)需被控量出現(xiàn)偏差，直接補(bǔ)償一個(gè)預(yù)先的估計(jì)值，以提高速度跟蹤時(shí)的響應(yīng)速度，并減少穩(wěn)態(tài)誤差。仿真表明該方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的高效率捕獲，系統(tǒng)整體運(yùn)行效果穩(wěn)定，并能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，在工程上有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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The Coordinated Control Strategy Based on VSC-HVDC Series-parallel Topology in W ind Farm

Huang Sheng Wang Hui Liao Wu Huang Shoudao
（National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control Changsha 410082 China）

In this paper，a coordinated control strategy of series-parallel direct-driven permanentmagnetic synchronous generators（DD-PMSGs）in the voltage source converter high voltage direct current（VSC-HVDC）system is proposed.The improved variable step hill-climbing algorithm is adopted by the strategy to achieve the maximum wind power capture in a safe range.In the generator side，the double closed-loop control strategy for the converter including the current inner loop and the speed outer loop respectively is taken.In order to improve the speed of the response and reduce the stability state error，the feed forward control of the current inner loop is used.The results in the MATLAB/Simulink simulation prove that the proposed coordinated control strategy of series-parallel DD-PMSGs can achieve good performance，and improve wind energy utilization.

Flexible high voltage direct current，series-parallel topology，MPPT，current loop feed-forward

TM614

黃晟男，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)及其控制。（通信作者）

王輝男，1960年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電氣自動(dòng)化技術(shù)與裝備。

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)（2011DFA62240）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51377050）資助項(xiàng)目。

2015-06-04改稿日期2015-10-10