鐘誠(chéng)，魏來，嚴(yán)干貴

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012)

基于模式切換的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制策略

鐘誠(chéng)，魏來，嚴(yán)干貴

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012)

隨著風(fēng)電機(jī)組安裝容量的不斷上升，風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下的穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，電網(wǎng)導(dǎo)則要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落一定范圍內(nèi)不脫網(wǎng)運(yùn)行，具備低電壓穿越能力(low-voltage ride-through，LVRT)。對(duì)于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機(jī)組，快速控制直流電容電壓是實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的關(guān)鍵。文章采用一種基于模式切換的PMSG機(jī)組低電壓穿越控制策略，該策略在電網(wǎng)電壓正常和故障時(shí)進(jìn)行控制模式切換，選擇網(wǎng)側(cè)變流器或機(jī)側(cè)變流器來控制直流電容電壓。另外，為加快直流母線控制速度，提出了一種改進(jìn)前饋方法，加快了控制速度，降低了直流母線電壓的峰值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)；低電壓穿越(LVRT)；模式切換控制；改進(jìn)前饋

0 引 言

對(duì)于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator，PMSG)機(jī)組而言，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越(low-voltage ride-through，LVRT)的關(guān)鍵是如何快速平衡電網(wǎng)電壓跌落期間失配能量，防止直流電容電壓越限[1-3]。目前，針對(duì)該問題的方法大致可分2類：(1)增加輔助硬件，如增加crowbar電路[4]、直流側(cè)儲(chǔ)能[5]或者網(wǎng)側(cè)無功補(bǔ)償[6]等外加設(shè)備，該類方法的缺點(diǎn)是增加了投資成本；(2)通過修改風(fēng)電機(jī)組控制策略，利用風(fēng)輪機(jī)自身慣性來存儲(chǔ)失配能量，這類方法無須增加額外的硬件，得到了廣泛研究。

文獻(xiàn)[7-8]依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落深度減小機(jī)側(cè)有功功率，來防止直流電容電壓越限，其缺點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器可能同時(shí)工作在電流控制模式，失去對(duì)直流電容電壓控制。文獻(xiàn)[9-10]提出采用網(wǎng)側(cè)變流器控制機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速，機(jī)側(cè)變流器控制直流電容電壓的控制策略。文獻(xiàn)[11]提出一種模式切換控制策略，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器控制直流電容電壓，機(jī)側(cè)變流器控制機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速；而電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，切換為網(wǎng)側(cè)變流器控制并網(wǎng)功率，機(jī)側(cè)變流器控制直流母線電壓模式。

另一方面，加快直流電壓控制速度也有助于提高PMSG機(jī)組LVRT能力，文獻(xiàn)[12-13]將機(jī)側(cè)有功功率作為網(wǎng)側(cè)變流器電流控制內(nèi)環(huán)的前饋，但受內(nèi)環(huán)控制器帶寬限制，無法實(shí)現(xiàn)單位前饋[2]。故文獻(xiàn)[3]提出在機(jī)側(cè)功率前饋通道中增加前饋補(bǔ)償函數(shù)，改善補(bǔ)償效果，但是文獻(xiàn)[3]同時(shí)指出電流內(nèi)環(huán)控制器為比例積分(proportional integral，PI)時(shí)，補(bǔ)償函數(shù)將較為復(fù)雜，而且難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[14]采用基于機(jī)側(cè)功率預(yù)測(cè)的前饋控制，但前饋量計(jì)算較復(fù)雜。

本文在基于文獻(xiàn)[11]的模式切換控制結(jié)構(gòu)上，提出一種基于改進(jìn)的前饋控制策略，繞開電流內(nèi)環(huán)控制器，避免內(nèi)環(huán)控制器帶寬的影響。仿真對(duì)比驗(yàn)證本文控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)模型

PMSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。PMSG系統(tǒng)包含風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、直流鏈電容、網(wǎng)側(cè)變流器、并網(wǎng)電感、理想電網(wǎng)。

圖1 PMSG系統(tǒng)框圖

圖1中：usa、usb、usc、isa、isb、isc分別為PMSG定子側(cè)的三相電壓和電流；idc,s和idc,g分別為機(jī)側(cè)直流電流和網(wǎng)側(cè)直流電流；ic和udc分別為直流電容電流和電壓；uga、ugb、ugc分別為網(wǎng)側(cè)變流器三相輸出電壓；ega、egb、egc、iga、igb、igc分別為電網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流。

在機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈定向旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，忽略定子電阻，永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電流數(shù)學(xué)方程[2]為：

(1)

(2)

式中：Ls為等效同步電抗；ωs為轉(zhuǎn)子角頻率；usd、usq、isd、isq分別為機(jī)側(cè)定子電壓和定子電流的d軸和q軸分量；esq為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)。

電網(wǎng)電壓矢量定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)電流的數(shù)學(xué)方程為：

(3)

(4)

式中：Lg為網(wǎng)側(cè)電感；ωg為電網(wǎng)角頻率；igd、igq分別為電網(wǎng)側(cè)電流的d軸和q軸分量；egd、egq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓的d軸和q軸分量；ugd、ugq分別為電網(wǎng)側(cè)輸出電壓的d軸和q軸分量。

當(dāng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與電網(wǎng)a相電壓對(duì)齊時(shí)，egq=0，則并網(wǎng)有功瞬時(shí)功率Pg的計(jì)算公式為

(5)

機(jī)側(cè)有功功率Ps的計(jì)算公式為

(6)

依據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律，則ic=idc,s-idc,g。另外，忽略變流器損耗，則idc,s=Ps/udc，idc,g=Pg/udc。因此，

(7)

(8)

(9)

直流電容電流ic的大小取決于機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率差值?？焖倏刂茩C(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率的平衡，可以減小直流母線電壓的波動(dòng)。

2 改進(jìn)前饋控制方法

為了避免控制內(nèi)環(huán)電流控制器帶寬對(duì)前饋補(bǔ)償?shù)挠绊?，本文基本思路是將前饋點(diǎn)從電流內(nèi)環(huán)輸入節(jié)點(diǎn)(a)點(diǎn)[3,12-13]后移到輸出節(jié)點(diǎn)(b)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前饋控制框圖

將機(jī)側(cè)直流側(cè)電流idc,s依然作為擾動(dòng)量，假定前饋補(bǔ)償函數(shù)為F(s)，則從節(jié)點(diǎn)(d)到節(jié)點(diǎn)(c)的傳遞函數(shù)為

(10)

為實(shí)現(xiàn)單位反饋，即D(s)=1，則易知F(s)為

(11)

(12)

(13)

式(13)中包含微分項(xiàng)disq/dt，如果采用數(shù)值微分方法實(shí)現(xiàn)，較為復(fù)雜[13]。注意到式(2)中包含disq/dt項(xiàng)，將式(2)代入式(13)，得

(14)

3 PMSG低電壓穿越控制策略

本文提出的PMSG低電壓穿越控制策略如圖3所示。

圖3中，風(fēng)機(jī)側(cè)采用基于磁場(chǎng)定向下的dq解耦控制，而電網(wǎng)側(cè)采用基于電壓矢量定向下的dq解耦控制策略。控制策略分成2種模式：(1)電網(wǎng)電壓的正常狀態(tài)；(2)電網(wǎng)電壓跌落狀態(tài)。

依據(jù)第2節(jié)所述，為了加快直流電容電壓控制速度，正常電網(wǎng)電壓模式下，將式(14)作為前饋疊加在網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)d軸電流控制器的輸出端。

相似的，在故障電網(wǎng)電壓模式下，將式(15)疊加在機(jī)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)q軸電流控制器的輸出端。

(15)

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，直流電容電壓始終存在閉環(huán)控制，通過減小機(jī)側(cè)有功電流isq，來避免直流電容電壓越限。

圖3 PMSG低電壓穿越控制策略框圖

需要指出，本文提出的模式切換只是外環(huán)之間的切換，而內(nèi)環(huán)控制始終維持不變，這意味著當(dāng)控制模式切換時(shí)，只是內(nèi)環(huán)參考值發(fā)生變化，即等價(jià)于內(nèi)環(huán)參考值出現(xiàn)突變。而并網(wǎng)逆變器電流內(nèi)環(huán)控制器的穩(wěn)定性已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析[15]。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，搭建了仿真模型，模型參數(shù)如表1所示。

考慮風(fēng)速突變和電網(wǎng)深度跌落2種情況進(jìn)行分析，同時(shí)為了對(duì)比，同時(shí)采用本文的改進(jìn)前饋方法和傳統(tǒng)有功功率前饋方法進(jìn)行仿真。

4.1 風(fēng)速變化仿真分析

表1 PMSG系統(tǒng)參數(shù)

Table 1 Parameters of PMSG system

對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可以看出，采用改進(jìn)前饋控制后，網(wǎng)側(cè)有功電流能夠更加快速地跟蹤機(jī)側(cè)有功電流，傳統(tǒng)前饋方法的直流母線電壓最大峰值為 1 300 V，而改進(jìn)前饋方法最大峰值僅為 1 218 V，直流母線電壓峰值明顯減少。

圖4 風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)PMSG系統(tǒng)仿真波形

但需注意到，由于式(13)中存在微分項(xiàng)，相比于圖4(a)，圖4(b)中的直流電壓和網(wǎng)側(cè)電流都存在更為明顯的脈動(dòng)分量。

4.2 電網(wǎng)深度電壓跌落

設(shè)計(jì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在1 s時(shí)，跌落為0.2 pu，并持續(xù)600 ms。

依據(jù)我國(guó)2011年頒布的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[16]，電壓跌落期間，并網(wǎng)點(diǎn)電壓每跌落1%須向電網(wǎng)提供2%額定電流數(shù)值的無功電流[16]，如式(16)所示。

(16)

式中：IN為變流器額定電流；UT為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落為0.2 pu時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器需要向電網(wǎng)提供1 pu的無功電流。而通常變流器短時(shí)電流上限為1.1 pu[17]，易知，此情景下網(wǎng)側(cè)變流器有功電流上限為0.458 pu，仿真波形如圖5所示。

由圖5可知，在1 s電壓跌落時(shí)，受電壓跌落的影響，網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)行模型切換，網(wǎng)側(cè)輸出給定有功和無功電流，機(jī)側(cè)變流器控制直流母線電壓。圖5(a)中，受PI控制器帶寬的影響，直流母線電壓udc峰值為 1 340 V。1.6 s時(shí)電壓恢復(fù)，udc峰值達(dá)到1 350 V，已經(jīng)威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。圖5(b)中，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)刻的udc峰值為1 230 V，而恢復(fù)期間的最大電壓峰值為1 250 V。得益于改進(jìn)前饋方法，系統(tǒng)能夠更快地控制直流電容電壓，減小暫態(tài)峰值。

在電壓跌落期間，由于減小了機(jī)側(cè)的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)上升。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，系統(tǒng)重新恢復(fù)轉(zhuǎn)速控制，受直流母線電壓波動(dòng)影響，圖5(a)轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過0.6 s才重新跟蹤參考值，而圖5(b)只需0.45 s。

另外注意到，1 s電壓跌落瞬間，網(wǎng)側(cè)電流存在約1.1 pu的瞬時(shí)尖峰。這是由于受控制器單位延遲的影響，網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓為前一個(gè)控制周期的值，而并網(wǎng)點(diǎn)電壓突變到0.2 pu，并網(wǎng)電感兩端出現(xiàn)較大的電壓差。

圖5 電壓跌落時(shí)PMSG系統(tǒng)仿真波形

5 結(jié) 論

(1)采用模式切換實(shí)現(xiàn)PMSG機(jī)組在電網(wǎng)電壓深度跌落下的直流電容閉環(huán)電壓控制，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的前饋補(bǔ)償方法，加快直流電容電壓控制速度。

(2)本文方法在風(fēng)速突變和電壓深度跌落時(shí)，減小直流電壓的暫態(tài)峰值，提高了PMSG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力。

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(編輯 景賀峰)

Low Voltage Ride-through Control Strategy for PMSG Based on Control Mode Switch

ZHONG Cheng, WEI Lai,YAN Gangui

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

With the increase of installed capacity of wind farm, the operation stability of wind power system during grid disturbances becomes important. Grid codes require that wind power system stays connected to the grid during voltage dips for a certain period, with the ability of low-voltage ride-through (LVRT). For permanent magnet synchronous generator (PMSG), the key to improve the ability of LVRT is that fast control DC-Link voltage when grid-voltage dips. This paper proposes a LVRT control strategy for PMSG unit based on control mode switch. The strategy changes the control mode between in normal and fault of grid-voltage, and adopts the grid-side converter or generator-side converter to control the DC-Link voltage respectively. In addition, this paper proposes an improved feed-forward method to speed up the DC bus control, which can accelerate the speed control and reduce the peak value of the DC bus voltage. The simulation results validate the effectiveness of the proposed strategy.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); low-voltage ride-through (LVRT); mode switch control; improved feed-forward

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277024)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0068-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.009

2016-08-26

鐘誠(chéng)(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉慈嵝圆⒕W(wǎng)技術(shù)、電力電子化電網(wǎng)穩(wěn)定分析與控制；

魏來(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)安全運(yùn)行與穩(wěn)定控制；

嚴(yán)干貴(1971)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模新能源并網(wǎng)技術(shù)、風(fēng)電柔性消納技術(shù)。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51277024)