張子皿，朱學勤

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，簡稱LVRT）是指當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時，在一定范圍內(nèi)，風機必須不脫離電網(wǎng)，并且要向電網(wǎng)提供無功功率支持，以幫助電網(wǎng)恢復正常工作，并在故障切除后發(fā)電機組能夠迅速恢復正常運行。針對直驅(qū)型風電機組，其變流系統(tǒng)直流側(cè)電壓在電網(wǎng)故障時期的穩(wěn)定控制策略是實現(xiàn)低電壓穿越的核心技術。

1 電網(wǎng)電壓跌落影響

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的功率回路主要由風力機、發(fā)電機、電機側(cè)變流器、直流側(cè)電容、電網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成。當發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障時，電網(wǎng)側(cè)變流器為了保持向電網(wǎng)輸出功率不變，輸出電流將增大，當電流達到器件限流值時，輸出功率受到限制，此時若發(fā)電機保持正常運行，電機側(cè)變流器保持其控制不變，則直流側(cè)輸入功率將大于輸出功率，過剩的能量將對直流側(cè)電容進行充電,如不采取措施，電容電壓就會快速升高，進而危及運行安全，甚至造成變流器損壞。因此，直流電壓是反映變流系統(tǒng)工作正常與否的主要標準，直流電壓的穩(wěn)定控制是實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時風力發(fā)電機組不脫網(wǎng)運行的關鍵所在。

2 直流側(cè)電壓協(xié)調(diào)控制原理

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)電網(wǎng)電壓定向矢量控制對直流電壓的控制是通過電壓外環(huán)，當直流電壓上升時，利用外環(huán)的直流電壓調(diào)節(jié)器改變d軸電流給定值，進而控制直流電壓。但是這樣存在兩個問題：①當電網(wǎng)電壓大幅度跌落時，電網(wǎng)側(cè)變流器電流達到限流值后，直流電壓外環(huán)飽和，電網(wǎng)側(cè)變流器對直流電壓失去控制；②對電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)而言，直流側(cè)電容相當于一個大慣性環(huán)節(jié)，直流電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)只有在直流電壓出現(xiàn)變化時才能改變d軸電流給定值，這就造成電網(wǎng)側(cè)變流器輸入瞬時功率變化緩慢，不能立即跟隨電機側(cè)變流器的瞬時功率變化，造成直流電壓波動。因此，在電網(wǎng)故障過程中采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方法將很難減小電壓跌落時直流電壓的波動。

文中從功率平衡的角度提出了雙PWM協(xié)調(diào)控制直流電壓，對電機的輸出功率和電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率進行了有效控制，維持了直流電壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)了風力發(fā)電機組的低電壓穿越運行。

2.1 基于電網(wǎng)電壓信息的電機側(cè)輸出功率控制

在電網(wǎng)電壓跌落時，要保證直流側(cè)輸入、輸出功率動態(tài)平衡，應該限制發(fā)電機輸送到直流側(cè)的功率。要實現(xiàn)限制發(fā)電機的輸出功率一般是通過改變槳距角，減小風力機捕獲的風能，進而減小發(fā)電機輸出功率，但是變槳距控制系統(tǒng)的響應時間通常在秒級，這樣對于毫秒級的電網(wǎng)電壓跌落故障而言，這么短的時間采用變槳距調(diào)節(jié)就很難有效地限制發(fā)電機輸出功率。由電機側(cè)變流器雙閉環(huán)矢量控制中的電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時間可達到毫秒級，因此可將電網(wǎng)電壓跌落信息通過前饋控制的方式加入到電流內(nèi)環(huán)設計中，首先通過限制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，進而達到快速限制發(fā)電機輸出功率的目的，然后再配合變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)上升的風力機轉(zhuǎn)速，使之完成低電壓穿越運行。

定義電網(wǎng)側(cè)變流器正常工作時并網(wǎng)電壓為UN，當發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障后電網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)電壓為U，則電網(wǎng)電壓跌落幅度為KN=U/UN?？梢园凑针娋W(wǎng)電壓跌落幅度來限制發(fā)電機輸出的瞬時功率，如式（1）：

具體控制原理，發(fā)電機輸出功率與發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關系如式（2）：

對于發(fā)電機轉(zhuǎn)速而言，當發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，通過控制限制發(fā)電機輸出的瞬時功率，使輸出功率也相應地下降一定的比例，這時風力機捕獲的過剩的風能，將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能，設電網(wǎng)故障持續(xù)ts，那么過剩的能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動能為：

式中：Pe為正常情況時發(fā)電機輸出功率；為電網(wǎng)故障時發(fā)電機輸出功率；ω1為正常情況時風力機轉(zhuǎn)速；ω2為電網(wǎng)故障時風力機轉(zhuǎn)速；t為電網(wǎng)故障持續(xù)時間；J為風力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子總轉(zhuǎn)動慣量。

式（3）可化為：

假設一臺2.5 MW風力發(fā)電機組在額定風速下運行，發(fā)電機輸出額定功率時，發(fā)生電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓跌落到0%，并持續(xù)300 ms。在此功率等級的風力機轉(zhuǎn)速ω1一般為20～30 r/min，風力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子總轉(zhuǎn)動慣量J為16 000 kg·m2。根據(jù)式（4）計算得到，此時發(fā)電機轉(zhuǎn)速僅比正常時額定轉(zhuǎn)速增加了1%～2%。通過分析，可知過剩的能量使風力機轉(zhuǎn)速增加程度很低，當發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障的瞬間，可以認為風力機轉(zhuǎn)速幾乎沒有變化。而且對于一般的風力發(fā)電機組來說，在很短的時間內(nèi)風機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速1%～2%是完全可以承受的。

2.2 基于機側(cè)輸出功率的電網(wǎng)側(cè)直接功率控制

對于電網(wǎng)側(cè)變流器的控制，直接功率控制比電網(wǎng)電壓定向矢量控制具有更優(yōu)異的動態(tài)響應能力，而且直接對功率進行控制，控制目標明確，因此電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略采用直接功率控制。

正常情況下，電網(wǎng)側(cè)電流器采用電壓外環(huán)，功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)用來保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定；功率內(nèi)環(huán)實現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制，及時將功率并入電網(wǎng)。在電網(wǎng)電壓跌落時，為了保證直流側(cè)功率平衡，電網(wǎng)側(cè)變流器直接根據(jù)電機側(cè)變流器的功率信息對有功功率和無功功率進行控制。

在實際控制中，當檢測到電網(wǎng)電壓大幅跌落時，電網(wǎng)側(cè)電壓外環(huán)控制信號切換為電機側(cè)變流器輸出功率，并根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度和電網(wǎng)相關信息進行有功和無功功率的重新分配，向電網(wǎng)提供無功支持。當電網(wǎng)電壓恢復正常后，電網(wǎng)側(cè)切換回電壓外環(huán)，功率內(nèi)環(huán)控制。

3 基于Matlab/Simulink的仿真驗證

為了驗證直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)變流控制策略的正確性，用Matlab/Simulink建立完整的使用背靠背雙PWM變流器的直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)模型。電機側(cè)變流器根據(jù)不同的風速調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使風力發(fā)電機運行在最大效率下，并將發(fā)電機發(fā)出的功率送到直流電容，電網(wǎng)側(cè)變流器則完成功率因數(shù)控制，及時將功率并入電網(wǎng)，其中電機側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器的控制和運行都是相對獨立的。電機側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓信息的矢量控制，電網(wǎng)側(cè)變流器采用基于機側(cè)輸出功率的改進直接功率控制，如圖1。

圖1 雙PWM變流器的直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)模型

根據(jù)GB/T 19963.1-2021《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》對電壓跌落并持續(xù)時間625 ms以上情況進行仿真試驗，在0.2 s時電網(wǎng)電壓跌落至80%，采用傳統(tǒng)控制策略，中間直流側(cè)電壓波動如圖2。

圖2 傳統(tǒng)控制策略直流電壓曲線

采用協(xié)調(diào)控制，中間直流側(cè)電壓波動如圖3。

圖3 協(xié)調(diào)控制直流電壓曲線

當電網(wǎng)電壓跌落至20%并持續(xù)625 ms以上時，中間直流電壓如圖4、圖5。

圖4 傳統(tǒng)控制策略直流電壓曲線

圖5 協(xié)調(diào)控制直流電壓曲線

發(fā)電機定子d、q軸電流變化曲線、電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線、電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流變化曲線如圖6～圖9。

圖6 發(fā)電機定子d軸電流變化曲線

圖7 發(fā)電機定子q軸電流變化曲線

圖8 發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖9 電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流變化曲線

4 結(jié)論

通過仿真結(jié)果可以看出，當電網(wǎng)電壓正常時，電機側(cè)變流器對永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速具有良好的控制性能；電網(wǎng)側(cè)變流器輸出并網(wǎng)電流正弦化，直流電壓穩(wěn)定。當電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱故障時，可以看出采用基于電網(wǎng)電壓信息電機側(cè)輸出功率控制和基于機側(cè)輸出功率的電網(wǎng)側(cè)直接功率控制比傳統(tǒng)電機、電網(wǎng)側(cè)雙矢量控制的直流電壓控制效果更好，可以有效地抑制電網(wǎng)電壓跌落引起的直流側(cè)電壓不穩(wěn)定問題，保證了直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的安全性和可靠性，提高了系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個變流器正常工作的前提，本文針對電網(wǎng)三相電壓對稱跌落期間傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略無法保證直流電壓穩(wěn)定在恒定值進行了改進，提出了直流電壓協(xié)調(diào)控制策略，通過對電機側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)電流器協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓跌落期間直流電壓的穩(wěn)定控制，提高了直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越裕度。在電網(wǎng)電壓跌落的持續(xù)時間較短時，采用該控制策略可以完成低電壓穿越運行，如果電網(wǎng)電壓跌落時間持續(xù)較長，那么在風力機轉(zhuǎn)速增加到一定程度，就需要配合變槳距控制系統(tǒng)等限制風力機捕獲的風能。