薛 宇，任永峰，胡志帥，何晉偉，方琛智，祝 榮

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051；2. 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津市 300072）

0 引言

隨著中國“十四五”時期“碳達峰、碳中和”目標的提出，以清潔能源為重要電源的“電能替代”技術將成為實現(xiàn)低碳發(fā)展的重要途徑之一?？紤]到集中式風電大多位于電網(wǎng)末端、遠離負荷中心、輸電成本過高等因素，就近接入負荷中心電網(wǎng)，實現(xiàn)就地消納、投資建設靈活的分散式風電將成為風電發(fā)展的另一個重要方向，具有重要的工程實用價值［1-3］。由于分散式風電多元化投資、非同期建設等原因，存在雙饋感應發(fā)電機（doubly-fed induction generator，DFIG）與直驅(qū)永磁同步發(fā)電機（permanent magnet synchronous generator，PMSG）并列運行的場景。同時，分散式風電項目典型應用于城市周邊中低風速地區(qū)，直驅(qū)型較雙饋型機組對低風速、低轉(zhuǎn)速場景有更好的適應性和更高的發(fā)電效率［4］，可與雙饋機型形成優(yōu)勢互補，因此研究直驅(qū)-雙饋風電機組并列運行有實際意義。分散式風電接入點靠近負荷，電壓等級較低，短路容量較小，電網(wǎng)支撐薄弱。大容量旋轉(zhuǎn)設備的啟停、非線性負載的使用，甚至電網(wǎng)故障等因素將導致電網(wǎng)電壓升高、跌落、不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題。在分散式風電場景中，更高的風電穿透功率對風電機組的故障電壓穿越能力提出了更高的要求。

DFIG 機組低電壓穿越（low voltage ridethrough，LVRT）方案普遍采用轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 電路和勵磁變頻器直流側(cè)Chopper 電路組合的方式實現(xiàn)硬件支撐［5］。在電網(wǎng)電壓嚴重跌落工況下，Crowbar電路使得DFIG 運行特性向鼠籠異步機轉(zhuǎn)換，增大無功消耗，不利于電網(wǎng)電壓恢復。文獻［6-7］指出在電網(wǎng)電壓不對稱、諧波工況下，由于DFIG 機組定子直接并網(wǎng)，將使電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩，交變載荷將影響機械結構壽命。PMSG 機組全功率變頻器容量較大，電網(wǎng)電壓跌落工況下可通過變換器直流母線卸荷電路消耗暫態(tài)差額功率，網(wǎng)側(cè)變換器可增加無功輸出，輔助電網(wǎng)電壓恢復。文獻［8］提出了PMSG機組的上述LVRT 方案，但在弱電網(wǎng)條件下有功、無功控制存在較大偏差。

在改善風電機組故障電壓穿越的拓撲結構研究中，文獻［9］提出了采用動態(tài)電壓恢復器（dynamic voltage restorer，DVR）實現(xiàn)DFIG 機組LVRT 的方案，通過串聯(lián)電壓補償方式維持機端電壓穩(wěn)定。文獻［10］將DVR 推廣應用于現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)的電壓暫降綜合治理。文獻［11］提出在DVR 直流側(cè)設置儲能裝置的方案，由于只能在電網(wǎng)電壓跌落期間進行儲能，應用場景受限。文獻［12］將統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，UPQC）應用于風電系統(tǒng)柔性故障穿越，其典型結構為DVR 和有源濾波器（active power filter，APF）以背靠背變換器形式組合，該拓撲結構可通過APF 維持DVR 直流側(cè)電壓，對電網(wǎng)電壓升高、跌落工況具有普遍適用性，電壓補償?shù)耐瑫r實現(xiàn)有源濾波、無功補償?shù)入娏餮a償功能。文獻［13］將12 個開關元件的背靠背變換器精簡為9 個開關元件，對背靠背變換器的演化應用進行了研究。文獻［14］將九開關型UPQC 應用在DFIG 機組LVRT 場景中，通過串補電壓、并補電流的方式提升DFIG 機組的故障電壓穿越能力，研究內(nèi)容側(cè)重UPQC 的功能，對九開關變換器特性研究有限。

相比背靠背變換器，九開關變換器減少了3 個開關元件，驅(qū)動、保護電路相應精簡，開關損耗和變換器體積隨之降低［15-17］。文獻［18-19］分別以九開關變換器作為DFIG 機組和PMSG 機組的背靠背變換器進行研究，其控制策略與傳統(tǒng)控制策略一致，未對提升故障電壓穿越能力進行探索。文獻［20-22］分別對九開關變換器取代雙饋機組電機網(wǎng)側(cè)變換器、實現(xiàn)統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器以及用作勵磁變頻器進行了深入研究，以上研究擴展了九開關變換器的應用場景，但針對九開關變換器自身直流側(cè)電壓高的問題未提供詳細解決方案。文獻［23］研究了適用于九開關變換器的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法，適用于旋轉(zhuǎn)設備勵磁控制，相比正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法，該調(diào)制方法可提高直流側(cè)電壓利用率。文獻［24］介紹了一種九開關變換器可變調(diào)制比分配方法，利用橋臂2 個中點不同的輸出電壓需求，設置2 種工作模式，并配置不同調(diào)制比，該方法實現(xiàn)了調(diào)制比可變，但簡單的模式設置限制了通過優(yōu)化調(diào)制比配置來提高直流側(cè)電壓利用率的效果。

本文在“串補電壓”思路的基礎上，提出采用九開關變換器優(yōu)化直驅(qū)-雙饋分散式風電在電網(wǎng)電壓跌落、不對稱、諧波等工況下穿越運行性能的方案，并通過三次諧波注入、調(diào)制比優(yōu)化分配策略提高九開關變換器直流側(cè)電壓利用率。仿真結果表明，九開關變換器可有效消除非理想電網(wǎng)電壓對風電機組的影響，提高直驅(qū)-雙饋并列運行分散式風電機組的故障電壓穿越能力。

1 基于九開關變換器的直驅(qū)-雙饋分散式風電系統(tǒng)

九開關變換器是背靠背變換器的一種演化結構，每相橋臂有3 個開關元件，橋臂2 個中點各輸出一路功率脈沖。本文針對分散式直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)在不同電網(wǎng)電壓工況下的運行特性問題，設計以九開關變換器為換流元件的UPQC 系統(tǒng)，通過串聯(lián)電壓補償、并聯(lián)電流補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)機端電壓補償和并網(wǎng)電流補償，其拓撲結構如圖1 所示。

圖1 九開關型UPQC 與直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)拓撲Fig.1 Topology of nine-switch UPQC and direct drive-doubly fed hybrid wind power system

在九開關變換器UPQC 與直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)中，DFIG 的定子和網(wǎng)側(cè)變換器與PMSG 的網(wǎng)側(cè)變換器并聯(lián)。在風電機組與升壓變壓器之間接入九開關型UPQC。變換器橋臂上側(cè)中點輸出補償電壓，經(jīng)LC 濾波電路后，由注入變壓器實現(xiàn)補償電壓與電網(wǎng)電壓疊加，旁路開關在電網(wǎng)電壓正常時可將注入變壓器短接，停用電壓補償功能。變換器橋臂下側(cè)中點輸出補償電流，經(jīng)濾波電抗器并入風電機組網(wǎng)側(cè)變換器輸出線路。

當電網(wǎng)電壓為非理想工況時，往往包含正序過壓、正序欠壓、負序和諧波的一種或幾種類型組合。此時補償電壓UDVR為正序電壓偏差量ΔU1abc、負序電壓U-1abc和諧波電壓Unabc之和的負值。補償電流IAPF包括有功補償分量ΔIP、無功補償分量ΔIQ和諧波補償分量Inabc的負值。在電壓補償和電流補償同時工作時，通過調(diào)節(jié)有功補償分量可將電壓補償產(chǎn)生的差額有功功率送入電網(wǎng)，實現(xiàn)九開關變換器直流側(cè)電壓穩(wěn)定。在負載電流出現(xiàn)諧波的情況下，通過輸出諧波電流的負值，實現(xiàn)諧波消除。整體控制策略如附錄A 圖A1 所示。九開關型UPQC 補償電壓和補償電流的控制是實現(xiàn)優(yōu)化分散式混合風電系統(tǒng)運行的關鍵。補償電壓和補償電流分別為：

2 九開關變換器控制策略

九開關變換器屬于電壓源型變換器，補償電壓和補償電流的控制均需要以電壓參考信號進行調(diào)制。設置九開關變換器每相橋臂上側(cè)中點為上通道，輸出補償電壓，其調(diào)制信號為Ura；每相橋臂下側(cè)中點為下通道，輸出補償電流，其調(diào)制信號為Urx。將Ura向正電壓方向偏置，Urx向負電壓方向偏置，保證Ura＞Urx［25］。此時按照SPWM 方法，可得每相橋臂上、下中點的邏輯狀態(tài)，進而計算得到橋臂中每只開關元件的驅(qū)動邏輯電平。九開關變換器SPWM方法如附錄A 圖A2 所示。

按照上述調(diào)制方法，上通道輸出補償線電壓基波幅值Uabm、下通道輸出電流補償?shù)淖畲蠡ň€電壓幅值Uxym分別為：

為使九開關型UPQC 電壓補償側(cè)能輸出足夠的電壓，電流補償側(cè)能有效控制無功潮流，九開關變換器上下通道都需要一定的電壓輸出能力，因此，九開關型UPQC 直流側(cè)電壓往往較高。為降低九開關變換器直流側(cè)電壓，可從調(diào)制方法、系統(tǒng)控制策略兩個層面對其在直驅(qū)-雙饋混合分散式風電系統(tǒng)的應用進行研究。

2.1 三次諧波注入調(diào)制提高電壓利用率

將三次諧波注入嵌入控制策略中dq 坐標反變換過程，依據(jù)當前dq 軸電壓值Ud、Uq計算幅值Um和相位角θc。通過實時相位角和幅值計算得到的三次諧波量，可實現(xiàn)在基波幅值相位變化時注入的三次諧波最優(yōu)。調(diào)制方式如附錄A 圖A3 所示。

按照九開關變換器直流側(cè)電壓為1.8 kV 設計，三次諧波注入技術可使九開關變換器兩通道輸出線電壓有效值之和為 1.8 kV/(0.866 × 2 )=1.47 kV，能同時滿足電壓補償和電流補償?shù)闹绷麟妷盒枨蟆?/p>

2.2 控制策略優(yōu)化

九開關變換器拓撲結構決定其調(diào)制信號Ura＞Urx。為滿足上述約束，對上下通道調(diào)制信號直流偏置后進行限幅，即限制對應通道最大調(diào)制比。

變換器電壓補償側(cè)輸出電壓隨電網(wǎng)電壓偏離額定值程度增加而增大，變換器電流補償側(cè)為控制無功雙向流動，輸出電壓在電網(wǎng)電壓附近調(diào)整。

從風電系統(tǒng)故障穿越運行的角度，電壓補償?shù)闹匾愿哂陔娏餮a償?shù)闹匾?。因此，在電壓跌落工況下優(yōu)先保證電壓補償?shù)恼{(diào)制比分配，在電網(wǎng)電壓正常工況下為電流補償分配較大調(diào)制比范圍，依據(jù)二者的差異化分配原則，設計了調(diào)制比限幅隨電網(wǎng)電壓變化的動態(tài)分配方法，避免同時以二者最大需求配置直流側(cè)電壓。

電網(wǎng)電壓正常時，上通道關閉，分配調(diào)制比限幅ma=0.2、mx=0.8，為電流補償側(cè)提供足夠的輸出電壓。此時九開關變換器實現(xiàn)電流補償功能，包括無功補償、諧波電流補償?shù)裙δ?。當電壓偏差Udev在-20%～20%之間時，保持上述調(diào)制比；當Udev在20%～40%之間時，隨著電壓偏差程度的加深，通過增加ma、降低mx為電壓補償側(cè)提供與跌落情況匹配的輸出電壓，此時，九開關變換器電壓補償、電流補償功能同時啟用；當Udev超過40%時，關閉下通道，分配調(diào)制比限幅ma=1、mx=0，此時，九開關變換器起電壓補償作用，支撐分散式風電機組故常電壓穿越。調(diào)制比限幅函數(shù)為：

調(diào)制比mx、ma隨Udev的變換關系如圖2 所示，其中ma=1-mx。電壓跌落工況下，電壓補償吸收有功。當-20%≤Udev＜40% 時，電壓補償有功功率通過電流補償送入電網(wǎng)，系統(tǒng)整體有功無損耗；當40%≤Udev時，啟動卸荷電路，電壓補償有功通過卸荷電路消耗，防止九開關變換器和輸電線路過流。為驗證三次諧波注入調(diào)制方式及調(diào)制比動態(tài)分配的仿真結果如圖3 所示。圖中：Ur，abc為初始調(diào)制信號；U3，abc為對應的三次諧波；Ut和U3t分別為其中一相的初始調(diào)制信號和三次諧波調(diào)制信號，t=A，B，C。

圖2 調(diào)制比優(yōu)化分配Fig.2 Optimal allocation of modulation ratio

圖3 三次諧波注入調(diào)制波形Fig.3 Waveform of the third harmonic injection modulation

3 仿真分析

為驗證所提出的應用九開關變換器優(yōu)化直驅(qū)-雙饋分散式風電故障電壓穿越能力的可行性，設定電網(wǎng)電壓輕度跌落、重度跌落故障和電網(wǎng)電壓諧波3 種典型工況進行仿真驗證。設定PMSG 和DFIG額定功率均為2 MW，風電機組背靠背變換器直流側(cè)電壓為1.2 kV，九開關變換器直流側(cè)電壓為1.8 kV。

3.1 電壓跌落工況混合風電系統(tǒng)運行特性仿真

模擬電網(wǎng)電壓發(fā)生輕度不對稱跌落工況，設計了在0.4～0.6 s 期間箱式變壓器35 kV 側(cè)電網(wǎng)電壓發(fā)生A、B 相間不對稱跌落30%，混合風電系統(tǒng)的相關電氣量變化仿真結果如附錄A 圖A4 所示。直驅(qū)-雙饋機端并聯(lián)點電壓Ug，abc在0.4 s 時開始出現(xiàn)不對稱跌落，機端并聯(lián)點電流Ig，abc的幅值增大且出現(xiàn)波動，DFIG 轉(zhuǎn)子電流Ir，abc在故障期間波形發(fā)生嚴重畸變且幅值增大，影響轉(zhuǎn)子變頻器使用壽命，直驅(qū)-雙饋風電機組聯(lián)合發(fā)出的有功功率及無功功率由于電網(wǎng)不對稱故障而產(chǎn)生二倍頻波動，PMSG 直流側(cè)電壓和DFIG 直流側(cè)電壓幅值增大且出現(xiàn)二倍頻波動。

為研究電網(wǎng)電壓發(fā)生輕度對稱故障工況時對直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)電氣量變化的影響，設計在0.4～0.6 s 期間箱式變壓器35 kV 側(cè)三相電壓輕度對稱跌落至70%。直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)的相關電氣量變化仿真結果如附錄A 圖A5 所示。機端并聯(lián)點電壓Ug，abc在0.4～0.6 s 期間發(fā)生輕度對稱跌落，機端并聯(lián)點電流Ig，abc在故障期間幅值增大且在故障開始和結束時波動劇烈，DFIG 轉(zhuǎn)子電流Ir，abc在故障期間幅值增大，同樣在故障開始和結束時出現(xiàn)劇烈波動，直驅(qū)-雙饋聯(lián)合發(fā)出的有功功率PG及無功功率QG在故障發(fā)生和切除時波動劇烈，DFIG 的直流側(cè)電壓和PMSG 的直流側(cè)電壓Udc2在故障期間出現(xiàn)過電壓，若不采取措施，可造成直流母線電容擊穿。

3.2 電壓輕度對稱跌落工況仿真

為驗證在電網(wǎng)電壓輕度不對稱跌落工況下九開關型UPQC 直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)故障穿越能力的提高，設計在0.4～0.6 s 內(nèi)箱式變壓器35 kV 側(cè)電網(wǎng)三相電壓分別出現(xiàn)輕度不對稱跌落。其中A 相電壓跌落至75%，B 相電壓跌落至90%，C 相電壓跌落至85%，在0.8～1.0 s 內(nèi)模擬B、C 相間短路故障造成公共連接點（PCC）電壓不對稱跌落30%，在0.2～0.4 s 內(nèi)混合風電系統(tǒng)正常工作，與之后的電網(wǎng)電壓故障工況狀態(tài)形成對比，仿真結果如圖4所示。

圖4 九開關型UPQC 對輕度不對稱跌落補償結果Fig.4 Compensation results of nine-switch UPQC with mild unsymmetrical sag

由圖4 可知，在0.4～0.6 s 內(nèi)和0.8～1.0 s 內(nèi)并網(wǎng)點電壓Upcc，abc不對稱。九開關型UPQC 通過注入補償電壓UDVR，abc，機端電壓Ug，abc與機端電流Ig，abc保持在正常狀態(tài)，為標準正弦波形。通過控制IAPF，abc維持九開關變換器直流側(cè)電壓Udc3穩(wěn)定。在電壓跌落期間，PCC 的電流Ipcc，abc的幅值增大。

DFIG 轉(zhuǎn)子電流Ir，abc、直驅(qū)-雙饋機組聯(lián)合有功功率PG和無功功率QG、并網(wǎng)點有功功率Pgrid和無功功率Qgrid基本保持穩(wěn)定，其中PG為4 MW，QG保持為0，Pgrid為4 MW，Qgrid基本為0。DFIG 直流側(cè)電壓Udc1、PMSG 直流側(cè)電壓Udc2由于電壓不對稱故障而發(fā)生二倍頻波動，九開關直流側(cè)電壓Udc3在故障期間出現(xiàn)最高20 V 的過電壓，同時出現(xiàn)二倍頻振蕩。九開關型UPQC 可以改善直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)實現(xiàn)輕度不對稱故障穿越運行能力。

3.3 電壓嚴重不對稱跌落工況仿真

為驗證九開關型UPQC 對于電壓嚴重不對稱故障工況的有效性，設計電網(wǎng)電壓在0.4～0.7 s 內(nèi)發(fā)生B、C 相間跌落80%的故障工況，九開關型UPQC和卸荷電路聯(lián)合運行，系統(tǒng)仿真結果如圖5 所示。

由圖5 可知，由于電壓嚴重跌落，在0.4 s 時卸荷電路投入運行，APF 退出運行，故障期間IAPF，abc為0，九開關型UPQC 只做DVR 運行。機端并聯(lián)點電壓Ug，abc、機端并聯(lián)點電流Ig，abc、PCC 電流Ipcc，abc維持正常運行狀態(tài)，DFIG 轉(zhuǎn)子電流Ir，abc在故障開始及結束時出現(xiàn)輕微波動。直驅(qū)-雙饋聯(lián)合有功功率PG保持為4 MW，無功功率QG基本為0，只在故障發(fā)生和切除時略微波動；卸荷電路的投入使得并網(wǎng)點有功功率Pgrid下降至2.6 MW，卸荷電路有功功率PCrowbar為1.4 MW，無功功率Qgrid為0。DFIG 直流側(cè)電壓Udc1在故障切除時出現(xiàn)80 V 的過電壓，經(jīng)過幾個周期波動后恢復正常，PMSG 直流側(cè)電壓Udc2基本保持穩(wěn)定。九開關直流側(cè)電壓維持在1.8 kV，僅在電壓跌落結束時產(chǎn)生微小波動。在電壓嚴重不對稱跌落工況下，九開關型UPQC 與卸荷電路聯(lián)合運行，實現(xiàn)改善直驅(qū)-雙饋混合風電系統(tǒng)電能質(zhì)量的功能。

圖5 九開關型UPQC 對嚴重不對稱跌落補償結果Fig.5 Compensation results of nine-switch UPQC with serious unsymmetrical sag

3.4 綜合治理電壓、電流諧波工況仿真

為驗證九開關型UPQC 治理機端電壓諧波、并網(wǎng)點電流諧波的效果，設計在0.3～0.5 s 內(nèi)，通過非線性負載并結合可編程電源模擬在機端并聯(lián)點處注入5 次和7 次電流諧波，在PCC 處注入包含5 次和7次的電壓諧波。為對比九開關型UPQC 投入前后的補償效果，設置0.3～0.5 s 內(nèi)UPQC 不工作，0.5 s時UPQC 開始投入運行，仿真結果如附錄A 圖A6所示。

由附錄A 圖A6（a）可以看出，在0.5 s 時分別開啟APF、DVR 補償單元，補償前后的波形變化形成明顯對比。受到電壓諧波的影響，直驅(qū)-雙饋機端并聯(lián)點電壓Ug，abc波形發(fā)生畸變。UPQC 投入運行后，Ipcc，abc波形恢復正常，電流諧波畸變率（THD）變?yōu)?.88%，補償效果明顯。DFIG 的轉(zhuǎn)子電流Ir，abc在諧波電壓、電流影響下，在未投入UPQC 時波形畸變嚴重，0.5 s 后波形畸變情況得到了改善。DFIG 直流母線電壓Udc1和PMSG 直流母線電壓Udc2在0.5 s前有6 倍頻振蕩，投入UPQC 后得到抑制。九開關直流母線電壓Udc3在投入運行時出現(xiàn)20 V 的過電壓，隨后恢復正常值。

九開關型UPQC 啟動前后，Ug，abc的電壓諧波分析如附錄A 圖A6（b）所示。在0.5 s 前，電壓THD為20.18%，0.5 s 后開啟補償，THD 下降為1.99%。PCC 電流Ipcc，abc的電流諧波分析如附錄A 圖6（c）所示。在0.5 s 前，電流THD 為10.21%，補償啟動后THD 下降為1.88%。

4 結語

本文提出了九開關型UPQC 與直驅(qū)-雙饋混合分散式風電系統(tǒng)一體化拓撲結構，通過對混合風電系統(tǒng)在典型故障工況下的運行特性進行仿真分析，得出以下結論：

1）以九開關變換器為換流結構的UPQC 可改善直驅(qū)-雙饋混合分散式風電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓偏差、不對稱、諧波工況下的運行特性，實現(xiàn)柔性電壓故障穿越。本文研究側(cè)重于采用九開關變換器支撐機端電壓實現(xiàn)故障電壓穿越，電壓故障工況下無功協(xié)同控制是后續(xù)研究內(nèi)容。

2）九開關變換器三次諧波注入的SPWM 方法可提高直流電壓利用率。利用電壓補償和電流補償對逆變電壓需求的不同步特點，設置的動態(tài)調(diào)制比優(yōu)化策略可進一步降低對九開關變換器直流側(cè)電壓的需求。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。