裴旭兵 裴旭東

（1.中廣核新能源控股有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

0 引言

近年來，隨著全球變暖和能源危機的進一步加劇，各個國家對光伏、風電等新能源發(fā)展愈加重視，其中風力發(fā)電是應(yīng)用最為廣泛的清潔能源之一。據(jù)權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，陸上風電場將在幾年內(nèi)達到峰值?？紤]風力發(fā)電機組安裝便捷、對區(qū)域環(huán)境影響小等因素，小型風力發(fā)電機組發(fā)展應(yīng)用有望加速[1]。

傳統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)需要在風力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間連接無源濾波器和變壓器[2]，以消除開關(guān)器件紋波對電網(wǎng)的影響，而無源濾波器和變壓器是影響風電場發(fā)電容量的關(guān)鍵因素。模塊化多電平變換器（MMC）[3-4]作為一種無變壓器、無濾波器的變換器備受關(guān)注，由于不需要配置無源濾波器，因此MMC可輸出更高質(zhì)量的電壓波形。此外，由于MMC具有多級連接的逆變器，因此功率器件的開關(guān)應(yīng)力較小。

本文研究了不同風速下多臺小型風力發(fā)電機組成的單相并網(wǎng)模塊化多電平變換器控制策略，所研究的風力發(fā)電系統(tǒng)由永磁同步發(fā)電機（PMSM）、二極管整流器、升壓斬波器和MMC組成。風力發(fā)電機的輸出功率通過MMC各子模塊向電網(wǎng)輸送功率，通過控制電網(wǎng)側(cè)輸出d、q電流實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，利用獨立的橋單元控制器使每個橋單元電容器電壓緊緊跟隨參考電壓變化。最后通過計算機仿真，驗證了所提方法的有效性。仿真結(jié)果表明，基于MMC的風力發(fā)電系統(tǒng)可以控制不同風速下的發(fā)電功率。

1 單相并網(wǎng)MMC風力發(fā)電系統(tǒng)

圖1所示為多臺風力發(fā)電機組成的單相并網(wǎng)MMC電路架構(gòu)，其中風力機葉尖速比控制由帶二極管整流器的升壓斬波器實現(xiàn)，使風力機的機械功率輸出最大化，MMC控制各個子模塊電容電壓和功率流動。圖2所示為對應(yīng)MMC控制結(jié)構(gòu)，在該并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中即使每臺風力發(fā)電機都處于不同的發(fā)電狀態(tài)，也可在控制各電容電壓的同時向電網(wǎng)輸送功率。設(shè)定本文研究對象為立軸型風力機，額定功率為1.16kW，額定轉(zhuǎn)速為300r/min。

圖1 多臺風力發(fā)電機組成的單相并網(wǎng)MMC電路架構(gòu)

圖2 MMC及葉尖速比控制結(jié)構(gòu)

1.1 葉尖速比控制

風力機的機械輸出功率Pw可表示為：

式中：ρ為空氣密度；A為風力機槳葉受風面積；Cp為功率系數(shù)；vw為風速。

Cp是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)。當β為常數(shù)時，Cp是λ的函數(shù)。為了使輸出機械功率最大化，需要將風力機槳葉控制在最優(yōu)點，即Cp的最大值點。因此，λ表示為：

式中：r為風力機旋轉(zhuǎn)半徑；ω為轉(zhuǎn)子的機械角速度。

本文采用升壓斬波電路實現(xiàn)風力發(fā)電機的高效驅(qū)動，達到最大功率跟蹤控制，也即最優(yōu)葉尖速比運行。最優(yōu)葉尖速比λ*具體為：

λ*和λ之間的誤差通過PI控制器后，經(jīng)載波調(diào)制用于控制斬波電路功率器件開合。

1.2 MMC控制

MMC控制器由功率平衡控制模塊和單個子模塊控制模塊組成，MMC控制中使用的相位角θ由單相鎖相環(huán)（PLL）電路產(chǎn)生。

1.2.1 功率平衡控制

圖3為功率平衡控制模塊結(jié)構(gòu)，通過控制網(wǎng)側(cè)輸出電流在單相d-q坐標下的分量實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，各子模塊電容電壓平均值與直流參考電壓之間的誤差通過PI控制器輸出后作為網(wǎng)側(cè)有功電流參考值，無功電流參考值設(shè)為0，因此，可以實現(xiàn)輸出至電網(wǎng)側(cè)電壓和電流同相位。有功電流和無功電流參考值表示為：

圖3 功率平衡控制結(jié)構(gòu)

式中：Kp1為控制增益；Ti1為積分時間常數(shù)；q*為電網(wǎng)側(cè)無功功率參考值；vd為電網(wǎng)側(cè)電壓的d軸分量。

功率流動控制在d-q坐標下的d軸參考電壓和q軸參考電壓由下式求得：

式中：N為級聯(lián)的子模塊數(shù)量，本文N設(shè)定為3；Kp為控制增益；Ti為積分時間常數(shù)；isd、isq分別為網(wǎng)側(cè)有功電流和無功電流。

1.2.2 MMC子模塊控制

圖4為單個子模塊控制模塊結(jié)構(gòu)，風力機所處風速環(huán)境不同，對應(yīng)發(fā)電機產(chǎn)生的功率也不同。各子模塊單元的有功參考電流由每個風力發(fā)電機輸出功率計算得到，有功電流由所有風力發(fā)電機的輸出功率和每個風力發(fā)電機的輸出功率Pn計算得到。每個子模塊單元d軸參考電壓由式（6）得到：

圖4 MMC子模塊控制結(jié)構(gòu)

式中：n為子模塊，本文研究中n=1，2，3。

由于每個風機產(chǎn)生的功率不同，為確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定，必須保持每個子模塊電容電壓平衡。直流參考電壓與每個子模塊電容電壓平均值之間的誤差經(jīng)過PI控制器放大后乘以-cos θ得到每個子模塊電容控制電壓，具體為：

式中：Kp2為控制增益；Ti2為積分時間常數(shù)。

子模塊開關(guān)器件參考控制電壓由與求和計算得到。各子模塊單元的開關(guān)脈沖由相移載波脈寬調(diào)制（PSCPWM）產(chǎn)生。

2 仿真試驗

為驗證單相并網(wǎng)MMC控制的有效性進行了仿真試驗，仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓有效值vs=210 V，網(wǎng)側(cè)電感Lac=3.6 mH，Ls=155 μH，直流電容Cn=4.7 mF，升壓斬波電路電容CBn=20 μF，電感Ln=1 mH，功率器件開關(guān)頻率為20 kHz，PWM載波頻率為4 kHz，MMC功率器件開關(guān)頻率為24 kHz。

首先研究不同風速下的MMC控制效果，圖5為3個不同風速的風電場并網(wǎng)MMC穩(wěn)態(tài)試驗波形，對應(yīng)風速分別為2.5、7、14 m/s。vT為電網(wǎng)側(cè)接收端電壓，is為網(wǎng)側(cè)電流，vc1、vc2、vc3為每個子模塊單元的電容電壓，vcs1、vcs2、vcs3為每個子模塊輸出電壓，vcs為MMC整體輸出電壓。從圖中可以看出，每個子模塊電容電壓控制在參考電壓300 V左右，子模塊電容的紋波電壓控制在0.5%以內(nèi)。網(wǎng)側(cè)電流有效值為4.04 A，輸出功率因數(shù)為0.98。仿真結(jié)果表明，通過葉尖速比控制，各風力發(fā)電機組的葉尖速比λ與最優(yōu)葉尖速比λ*一致，說明各個風機均保持最大功率運行。

圖5 MMC穩(wěn)態(tài)試驗波形

其次研究風速變化情況下的MMC控制效果，圖6為風速波動時MMC控制動態(tài)試驗波形。設(shè)定3個風機風速相同，且在0～10 s期間，3個風力機所處風速均為0，從10 s到12 s時刻，風速從0 m/s上升到14 m/s。由圖6可知，風速波動情況下λ緊緊跟隨λ*變化，說明在這個過程中風力機始終處于高效率運行狀態(tài)。當所有風力發(fā)電機停止時，網(wǎng)側(cè)電流輸出為0 A，每個子模塊電容電壓控制為300 V。風速發(fā)生變化穩(wěn)定至14 m/s運行后，子模塊電容的紋波電壓控制在0.5%以內(nèi)。試驗結(jié)果表明，本文提出的基于MMC的單相并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)在風速波動下能夠很好地控制各子模塊的功率穩(wěn)定和電容電壓平衡。

圖6 MMC動態(tài)試驗波形

3 結(jié)論

本文研究了基于MMC的多臺風力發(fā)電機組單相并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)在不同風速和風速波動條件下的運行情況，功率因數(shù)通過基于單相d-q坐標的有功和無功電流控制來保持。仿真結(jié)果表明，在不同風速下多臺風力發(fā)電機組組成的風力發(fā)電系統(tǒng)可以在保持各電容電壓平衡控制的同時，以統(tǒng)一的功率因數(shù)控制系統(tǒng)功率潮流分布；當風速波動時，MMC的子模塊電容電壓穩(wěn)定控制在8%以內(nèi)。因此，本文提出的基于MMC的風力發(fā)電系統(tǒng)具有實用性和可推廣性。