何樸想,郝正航,陳 卓,楊光繞,聶春芳

(貴州大學 電氣工程學院,貴州 貴陽 550025)

風能和太陽能在電力系統(tǒng)中的高滲透性導致產生了功率波動、次同步振蕩、超同步振蕩甚至高頻振蕩等問題,這些穩(wěn)定性問題與可再生系統(tǒng)的控制策略密切相關。因此,增強風電機組的安全性、穩(wěn)定性以及并網性具有重要意義。研究人員大多使用MATLAB/Simulink、PSS/E、PSCAD仿真軟件對風電機組進行仿真。由于仿真非實時,因此不能與實際控制器和實時仿真器直接相連,較難模擬風力機的實際工程特性,而且對控制系統(tǒng)結果驗證不夠直觀,也不能使硬件與仿真軟件系統(tǒng)連接形成閉環(huán)。

文獻[1～3]利用實時數(shù)字仿真器(Real-Time Digital Simulator,RTDS)研究風電系統(tǒng)的建模與控制策略。文獻[4]在RTDS中搭建風電機組仿真模型,結合實際控制器搭建硬件在環(huán)(Hardware-in-the-Loop,HIL)仿真平臺測試風電機組的低電壓穿越特性是否滿足國家標準要求。文獻[5]通過搭建微網HIL仿真平臺,研究雙饋風電機組的穩(wěn)態(tài)仿真和步進風速的動態(tài)特性,證明了半實物仿真平臺可以用于研究風力發(fā)電的物理特性。文獻[6～7]分別提出一種RTDS與勵磁調節(jié)器構建的HIL實驗仿真平臺,發(fā)揮了數(shù)字仿真與工程實際設備的特點,搭建了一種接近實際工程的仿真平臺,還搭建了符合實際工程情況的風電場經柔性直流輸電系統(tǒng)并網實時仿真平臺。但該研究是針對同步發(fā)電機勵磁調節(jié)以及風電場經柔性直流輸電系統(tǒng)并網實驗搭建實驗平臺。傳統(tǒng)風電機組HIL實驗平臺具有針對性和特異性,本文平臺為通用風電機組HIL仿真平臺,相較傳統(tǒng)風電機組HIL平臺更具通用性。但該平臺控制部分具有體積大、不便攜等缺點,因此需進一步完善通用風電機組HIL仿真平臺。

本文利用通用風電機組HIL仿真平臺搭建直驅風機HIL實驗仿真,并在該實驗平臺研究改善風力機輸出特性的優(yōu)化控制。根據(jù)某2.5 MW直驅式永磁同步風力發(fā)電機組的產品參數(shù),在RTDS中搭建了風力機的仿真模型。在理想狀態(tài)下,電網電壓是三相對稱,但在實際運行中電網電壓常為不平衡或不對稱。為使風電機組穩(wěn)定輸出,本文采用了基于正序和負序電流解耦算法來消除負序電流以保持恒定的輸出功率。最后,通過HIL實驗平臺驗證了方法的合理性和有效性[8]。

1 直驅風機數(shù)學模型及優(yōu)化控制

1.1 數(shù)學模型

在RTDS中建立直驅式PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)風力發(fā)電機組的仿真模型,主要包括風速模型、風力機模型、傳動系統(tǒng)模型、PMSG模型、變流器模型以及典型控制模型。

1.1.1 風力機模型

風力機的工作原理是將風能通過風力機的葉片被捕獲轉化為機械能被風力機輸送[9]。風力機輸送功率Pm為

(1)

其中,ρ是空氣密度,單位為kg·m-3;R是風機葉輪半徑,單位為m;β是風力渦輪機的葉片槳距角,單位為°;λ是葉尖速比;ω是風力機葉片的角速度,單位為rad·s-1;V是風速,單位為m·s-1。

風能利用系數(shù)為Cp反應吸收風能的效率。

(2)

式中,e為歐拉數(shù)。

由圖1可知,當β恒定時,Cp僅在λ等于唯一λm時取最大值Cpmax。

圖1 風能利用系數(shù)Cp曲線Figure 1. Wind energy utilization coefficient Cp curve

變速恒頻風力發(fā)電技術可以通過控制輸出功率使風力機在恒定的λm下運行,從而提高風力機的風能轉換效率。風力機吸收風能后產生的機械扭矩如式(3)所示。

(3)

1.1.2 PMSG模型

在d、q同步坐標系下,PMSG的微分方程模型為

(4)

其中,Φm是同步電機的固定磁鏈;Ld和Lq分別是同步發(fā)電機的d、q軸電感;ωs是永磁同步電機的定子磁鏈角速度。

1.1.3 變流器模型及控制系統(tǒng)

在RTDS中建立了風電機組的背靠背變流器模型,包括整流器和逆變器。RTDS仿真軟件的RSCAD(Real-Time System CAD)模型庫中包含了PWM(Pulse Width Modulation)變流器模型、Crowbar保護控制電路[10]和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模型。RTDS輸入輸出板卡與控制器相連,實現(xiàn)風電機組的實時數(shù)據(jù)交換以及有功功率和無功功率的自動調節(jié)?？刂破髋cRSCAD內控制模型配合,與發(fā)電機和電網相連,包括發(fā)電機側變流器控制和網側變流器控制,其重要功能包括保證供電質量、提高功率因數(shù)以及滿足電網兼容標準。風電機組網側變流器控制系統(tǒng)如圖2(a)所示,實現(xiàn)了網側變流器有功功率和無功功率的解耦控制。具有MPPT(Maximum Power Point Tracking)功能的機側變流器控制系統(tǒng)如圖2(b)所示[11],實現(xiàn)了PMSG有功功率和無功功率的解耦控制[12]。

(a)

1.2 優(yōu)化控制

在電網電壓不平衡或不對稱情況下,為了使風電機組穩(wěn)定輸出,采用了分別基于正序和負序電流解耦算法來消除負序電流以維持恒定的輸出功率。

根據(jù)瞬時功率理論[9],網側變流器的復功率如下所示

(5)

式中,e為歐拉數(shù)。

將式(5)以代數(shù)形式表示,分解為有功分量和無功分量,如下所示

(6)

其中

(7)

(8)

在電壓不平衡的情況下,通過對稱分量法將不平衡電壓分解為正序與負序兩部分的平衡電壓[13]。本文將電網電壓方向控制策略引入正序和負序網絡,正序同步旋轉坐標系的dP軸朝向正序電壓矢量的方向,負序同步旋轉坐標系的dN軸朝向負序電壓矢量的方向[14]。因此,正負序同步旋轉坐標系中的電網電壓矢量dP-qP和dN-qN軸分量如下式所示

(9)

將式(9)代入,可得

(10)

根據(jù)式(10),P2和Q2的正序分量和負序分量的耦合,無法實現(xiàn)有功與無功的完全解耦[15],但可以對有功和無功功率的直流分量進行解耦控制[16]。

根據(jù)疊加原理,正序同步旋轉坐標系中正序分量的電壓方程、負序同步旋轉坐標系中負序分量的電壓方程分別為

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(11)

在網側PWM變流器中,可以得到負序同步旋轉坐標系中負序分量的電壓方程,如下所示。

(12)

本文采用了一種在三相電網電壓不平衡下保證變流器有功輸出恒定的控制策略。在保持變流器有功輸出功率不變的情況下,式(10)必須滿足以下條件:有功功率的直流分量獲得給定值P0=Pref,有功功率的兩倍電網頻率分量的幅值都為0(P1=0,P2=0),無功功率的直流分量接收給定值Q0=Qref。因此,矩陣方程為

(13)

正、負坐標的電流參考值如下所示。

(14)

可以看出,在輸出有功功率保持不變的情況下,可以得到正序和負序的d-q軸電流參考值。將式(14)代入式(10),得

(15)

在輸出有功功率保持不變以及電網不對稱故障的情況下,風電機組的無功功率存在電網頻率的兩倍波動分量。只有在有功和無功基準值均為0時,電網無功功率兩倍頻波動分量的幅值為0。

本文分別采用了基于正序和負序電流解耦算法,如圖3所示。

圖3 正負序雙電流環(huán)解耦控制策略Figure 3. Decoupling control strategy of positive and negative double current loops

在電網電壓不平衡或不對稱的情況下,通過抑制故障時風電機組的無功功率兩倍頻波動使有功和無功基準值均為0,電網無功功率兩倍頻波動分量的幅值為0,可達到消除負序電流使風電機組輸出穩(wěn)定的目的,然后通過通用風電機組HIL仿真平臺建模仿真加以驗證。

本文搭建通用風電機組HIL仿真平臺。該平臺軟件系統(tǒng)采用RTDS,可以在RTDS中搭建自由主電路模型及控制模型?？刂破饔缮衔粰C、通用實時仿真器(Universal Real-Time Experimental Platform,UREP)和控制機箱組成,其使用的核心儀器是UREP。在MATLAB/Simulink中搭建控制模型然后下載到UREP中,連接控制機箱進行輸出和采集信號,與RTDS中的模型搭配連接形成閉環(huán)。

2 系統(tǒng)平臺設計

2.1 系統(tǒng)總體方案

在RTDS中建立的數(shù)字模型如圖4虛線框中所示,包括風力機、永磁同步發(fā)電機(PMSG)、整流電路和逆變電路、風電系統(tǒng)并網斷路器DL1、風機出口箱式變壓器T1、風電場主變壓器T2、傳輸線LN、無窮大系統(tǒng)。系統(tǒng)設計如圖4所示。

圖4 直驅風機控制系統(tǒng)閉環(huán)實驗平臺Figure 4. Closed-loop experiment platform for direct drive wind turbines control system

2.2 系統(tǒng)硬件設計

圖5為電力系統(tǒng)仿真實驗平臺的搭建方案,該平臺主要包括RTDS、數(shù)字功率放大器和控制器3部分。

圖5 電力系統(tǒng)仿真平臺的搭建方案Figure 5. Construction scheme of power system simulation platform

在圖5中,實時仿真工作站是實驗過程中的人機界面、仿真試驗的操作平臺以及運行監(jiān)視平臺。

RTDS對直驅風機發(fā)電并網整個系統(tǒng)仿真模擬電力系統(tǒng)實時動態(tài)變化。由于計算結果的實時性,RTDS可與電氣設備直接連接進行實時測試,以驗證設備、保護及其控制系統(tǒng)能否滿足實際電網運行的要求。數(shù)字功率放大器將RTDS的板卡GTAO輸出的±10 V電壓信號按照標準的輸出等級(100 V,5 A)進行放大,然后輸出到控制機箱的ADC(Analog-to-Digital Converter)采樣接口。通過RTDS與控制器之間的信息反饋開展直驅風機硬件在環(huán)實驗,作為一次系統(tǒng)的主電路模型模擬直驅風機運行電路,二次系統(tǒng)的自動化裝置可以運行邏輯控制算法[19]。該HIL仿真平臺如圖6所示。

圖6 HIL仿真平臺Figure 6. HIL simulation platform

2.3 系統(tǒng)軟件模型搭建

在電力系統(tǒng)仿真研究時,通常使用單機無窮大系統(tǒng)來簡化模型。相較于整個無限大系統(tǒng)而言,發(fā)電機的動態(tài)過程對整個系統(tǒng)的影響較小,可認為該無限大系統(tǒng)電壓和頻率恒定不變[20]。實驗建模只需在Draft模塊中搭建主電路模型(發(fā)電機模塊、整流和逆變模塊、I/O接口配置、輸電線路和電壓源模塊)。模型搭建完成后,可以方便地調控被仿真的電力系統(tǒng)、控制仿真運行及分析仿真結果。模型搭建完成后可根據(jù)實驗要求與仿真需要自行修改。Runtime模塊用于搭建用戶交互界面,通過該模塊可以控制RTDS的運行。用戶可以在Runtime模塊控制臺上生成虛擬表盤、開關、按鈕及滑桿等控制元件,當仿真開始后可以通過控制臺對仿真模型進行實時監(jiān)測或交互,在Runtime模塊中觀察所有的信號數(shù)據(jù)。在MATLAB/Simulink中搭建控制部分,搭建完成后下載到UREP中,在LabVIEW顯示界面可以監(jiān)測控制部分輸出和采集的信號。

3 實驗驗證

模型參數(shù)如表1所示,RTDS板卡性能參數(shù)如表2所示。本文對在電網電壓不平衡或不對稱的情況下傳統(tǒng)控制策略和優(yōu)化控制進行比較,在電網正常運行情況下,機組運行于額定功率狀態(tài),即P=2.5 MW,Q=0 MVar。

表1 仿真模型參數(shù)Table 1. Simulation model parameters

為了驗證優(yōu)化控制策略的有效性,圖7和圖8分別顯示了在沒有優(yōu)化控制策略的情況下對a相電壓降至50%和降至20%的控制效果[21]。依次測量網側電壓ua、ub、uc,逆變器輸入電網的有功功率P和無功功率Q(P、Q均用標幺值p.u.表示)及直流母線電壓udc。

圖7 a相電壓下降到50%時傳統(tǒng)控制的輸出效果Figure 7. The output effect of conventional control when the a-phase voltage drops to 50%

圖8 a相電壓下降到20%時傳統(tǒng)控制的輸出效果Figure 8. The output effect of conventional control when the a-phase voltage drops to 20%

在電網電壓不平衡或不對稱的情況下,采用優(yōu)化控制策略對a相電壓降至50%和降至20%的控制效果[21]如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知,控制效果得到了顯著改善。

圖9 a相電壓下降到50%時優(yōu)化控制去耦控制的輸出效果Figure 9. The output effect of decoupling control is optimized when the a-phase voltage drops to 50%

圖10 a相電壓下降到20%時優(yōu)化控制去耦控制的輸出效果Figure 10. The output effect of decoupling control is optimized when the a-phase voltage drops to 20%

4 結束語

本文利用通用風電機組HIL仿真平臺搭建直驅風機HIL實驗仿真,并在該實驗平臺研究改善風力機輸出特性的優(yōu)化控制。根據(jù)某2.5 MW直驅式永磁同步風力發(fā)電機組的產品參數(shù),在RTDS中搭建了風力機的仿真模型。在電網電壓不平衡或不對稱的情況下,為使風電機組穩(wěn)定輸出,采用了分別基于正序和負序電流解耦算法來消除負序電流以保持輸出功率恒定,風電機組有功功率輸出不變,風電機組并網的適應性顯著提高。最后通過仿真驗證了該方法的合理性和有效性。