带电流限幅无功电流注入的LVRT控制策略研究

李小凡， 胡国文

（盐城工学院 电 气工程学院，江苏 盐 城 224051）

近年来，随着风力发电量在电力系统中的比重增加，如果电网故障导致风电机组的切机，会引起电网的扩大化故障。因此，许多国家都对风力发电提出了要求，即在电网电压跌落处于一定范围时，风电机组必须保持和电网相连。目前，对低电压穿越控制已有较多研究［1－14］。

本文依据网侧变流器最大通态电流和风电机组在低电压跌落故障时，需要注入无功电流以支撑电网电压的恢复，提出一种带限幅功能的无功电流注入网侧变流器控制策略，对电网电压单相接地短路故障引起电压跌落情况进行了仿真实验研究，该方法可使三相电流不会超过变流器的电流极限，并对正序电压起到支撑作用，对负序电压起到抑制作用，实现了不脱网运行，具有一定的实际应用价值。

1 网侧逆变电压和电流分析

直驱型风力发电系统结构如图1所示。图中，Lf、Lg和Cf为 滤 波 电 感 和 电 容；ua、ub和uc为滤波电容端电压；ia、ib和ic为滤波电感电流。

图1 直驱型风力发电系统结构图

采用对称分量法可将一个不平衡的三相系统分解成3个平衡对称的三相系统，即正序系统、负序系统和零序系统。考虑到分析的三相系统为三线制，因此三相电流之和为0，电压的零序分量也为零。则三相电压ua、ub和uc为：

其中，Up和Un分别为LCL滤波器电容端电压正序分量和负序分量；θ1和θ2分别为a相电压正序分量和负序分量的初相位；ω为电网角频率。

三相电流ia、ib和ic为：

其中，Ip和In分别为LCL滤波器电感电流正序分量和负序分量；θp和θn分别为电流正序分量和负序分量的相位角。

一个对称的三相电网系统只含有正序分量，没有零序和负序分量。在电网发生跌落时，电网电压的不对称而含有负序分量，负序电流在正序dq轴产生2倍于基频的谐波。由于负序电流分量的存在，机侧的功率不再是常数，产生2倍于基频的周期性波动。不对称电流和功率的波动将导致负序的定、转子电流加重定、转子绕组的发热，同时使定、转子三相绕组发热不对称，而定、转子电流不对称度严重时还会引起过流。脉动的有功功率和无功功率会使系统的稳定性受到很大的影响，电磁转矩的周期性脉动严重时会损坏风电系统的机械部件。

因此，在电网发生跌落时，设定θp＝－π／2，从网侧变流器往电网看电流滞后电压，也就是从电网侧往网侧变流器看，电流超前电压，相当于注入了容性无功，使电网的正序电压得到支撑。同样设定θn＝－π／2，从网侧变流器往电网看电流超前于电压，从电网往网侧变流器侧看，电流滞后电压，相当于注入了感性无功，使电网负序电压得以抑制。

由3S／2S坐标变换，可知：

由（1）式可知，三相电压包含正序和负序分量。以θ角度对电压正序分量进行2S／2R变换，其正序基波的变换为：

在实际控制中，为了得到单位功率因素，一般使用锁相环PLL控制，使得旋转的q轴分量为0，这样相当于θ＝ωt＋θ1。以－θ角度对电压负序分量进行2S／2R变换，其负序基波的变换为：

由（6）式可得：

2 带电流限幅无功电流注入控制策略

在控制中，对无功电流的注入存在一个前提条件，即注入电流应在网侧变流器通态浪涌电流以内。可将（2）式写成如下形式：

其中，三相电流相位为：

三相电流峰值为：

其中，φ＝θ2－θn－（θ1＋θp）＝θ2－θn＋π。

三相电流矢量如图2所示。

图2 三相电流矢量图

由图2可知，此时三相电流中的a相电流峰值最大。三相电流最大的峰值取决于φ，当π／3≤φ＜π时，b相电流峰值最大；当π≤φ＜5π／3时，c相电流峰值最大；当－π／3≤φ＜π／3时，a相电流峰值最大。

为了让网侧变流器不发生过流，使三相电流峰值最大的等于限幅电流Imax，而限幅电流Imax的选取原则是小于网侧变流器的通态浪涌电流。则负序电流反推得到：

当π／3≤φ＜π时，k＝1；当π≤φ＜5π／3时，k＝－1；当－π／3≤φ＜π／3时，k＝0。

而当电网发生电压跌落时，注入电网的动态正序无功电流ipd可由电网规范得到，则（11）式中正序电流为：

当网压跌落时，输出有功功率受到限制，为使发动机运行不受故障的影响，直流侧输入的功率基本保持不变，因此直流侧功率发生不平衡，输入功率大于输出功率，导致直流侧电压升高。为了降低机侧变流器输出功率变化对直流侧电压升高的影响，需要从整体角度出发，对电机侧变流器和电网侧变流器进行关联、协调控制。因此，在直流侧增加过电压保护电路，如Crowbar电路［1］。

带电流限幅无功电流注入的控制策略如图3所示。

图3 带电流限幅无功电流注入的控制策略框图

3 仿真实验

为了验证所提方法的正确性和可行性，进行了仿真实验验证。三相PWM电压型变换器开关频率为10kHz；LCL滤波器的电感Lf、Lg和电容Cf分别为2mH、2mH和3μF。为了更接近真实情况，仿真实验时的直流源MPPT（最大功率点跟踪）为650V、最大功率100kW的PV源，Imax取235A。实验过程中，使电网c相接地短路而引起电压跌落。

控制系统不注入无功电流时，正序电压和负序电压有效值波形如图4所示。

图4 不注入无功电流时电压有效值波形

3.1 无负序电流控制方式

无负序电流控制方式就是在图3无功电流注入控制中去除负序电流控制，同时负序电压也不作前馈，此时正序电压和负序电压有效值波形如图5所示。

图5 去除负序电流控制时电压有效值波形

由图4和图5对比可知，无负序电流控制方式时，电网正序电压被抬升了9.85V，负序电压被压制了10.3V，对电网的正面作用比较明显。无负序电流控制方式时，三相电流和电压波形如图6所示。

由图6可知，此时只控制了正序电流，三相电流波形不平衡。由于c相接地短路，故c相逆变电流较大，而由于未对负序电流控制，故c相逆变电流严重超限。如果不进行控制，发生低电压低落时风电机组将因逆变过流而切机。

图6 去除负序电流控制时三相电流和电压波形

3.2 带电流限幅无功电流注入的控制方式

采用带电流限幅无功电流注入的控制方式时，正序电压和负序电压有效值波形如图7所示。

图7 加入负序无功电流控制时电压有效值波形

由图4和图7对比可知，带电流限幅无功电流注入的控制方式时，电网正序电压被抬升了11.2V，负序电压被压制了3.6V，对电网正序电压支撑作用较明显。

带电流限幅无功电流注入的控制方式时，三相电流和电压波形如图8所示。

由图8可知，由于加入负序无功电流控制，整个三相电流表现为不平衡。由于是c相发生接地故障，故c相的电流变大以平衡c相的负序分量。但是整个短路过程中，三相电流都被控制在限幅值以内，这说明带电流限幅无功电流注入的控制方式，首先按照要求注入正序无功电流来支撑正序电压，然后尽网侧变流器最大能力去抑制负序电压。

图8 加入负序无功电流控制时三相电流和电压波形

4 结束语

本文提出一种带电流限幅无功电流注入的控制方式，通过注入无功电流的正序和负序，以支撑电网电压跌落时电网电压，从而实现穿越低电压。通过无负序电流控制方式和带电流限幅无功电流注入控制方式的仿真实验比较，可以发现带电流限幅无功电流注入的控制方式在发生电网电压跌落时，不仅可以抬升电网正序电压，又可以抑制负序电压，同时逆变三相电流被控制在安全范围内，保证网侧变流器不会因过流而切机，具有很好的优越性。

［1］ 胡书举，李建林，许洪华.直驱式VSCF风电系统直流侧Crowbar电路的仿真分析［J］.电力系统及其自动化学报，2008，20（3）：118－123.

［2］ Vincenti D，Jin H.Athree phase regulated PWM rectifier using direct on－line feed forward input unbalance correction control［C］／／Electrical and Computer Engineering Conference，1993：72－75.

［3］ 王 伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析［J］.电力系统自动化，2007，31（23）：84－89.

［4］ Aredes M，Akagi H，Hirokazu E，et al.Comparisons between thep－qandp－q－rtheories in three－phase fourwire systems［J］.IEEE Trans on Power Electron，2009，24（4）：924－933.

［5］ Pietilainen K.Voltage sag ride－through of AC drives：control and analysis［D］.Stockholm，Sweden：Electrical Machines and Power Electronics Department of Electrical Systems Royal Institute of Technology，2005.

［6］ 蔚 兰，陈国呈，曹大鹏，等.双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制策略［J］.电工技术学报，2011，26（7）：37－43.

［7］ Fatu M，Lascu C，Andreescu G D，et al.Voltage sags ridethrough of motion sensorless controlled PMSG for windturbines［C］／／Industry Applications Conference，2007，42nd IAS Annual Meeting，Conference Record of the 2007 IEEE，23－27Sept，2007：171－178.

［8］ Muljadi E，Butterfield C P，Parsons B，et al.Effect of variable speed windturbine generator on stability of a weak grid［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（1）：29－36.

［9］ Muyeen S M，Takahashi R，Muratat，et al.Low voltage ridethrough capability enhancement of windturbine generator system during network disturbance［J］.IET Renewable Power Generation，2009，3（1）：65－74.

［10］ Du Cuiqing，Bollen M H J，Agneholm E，et al.A new control strategy of a VSC－HVDC system for high－quality supply of industrial plants［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2007，22（4）：2386－2394.

［11］ Chen W L，Hsu Y.Direct output voltage control of a static synchronous compensator using current sensor lessd－qvector－based power balancing scheme［C］／／Proceedings of 2003IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition，Vol 2，September 7－12，2003，Dallas，2003：545－549.

［12］ 侯世英，刘早晨，嵇丽明，等.基于最小有功注入策略的级联逆变器动态电压恢复器［J］.电力自动化设备，2009，29（8）：33－36.

［13］ Garcia J E，Arnaltes S，Ameredo J L R.Direct power control of voltage source inverters with unbalanced grid voltages［J］.IET Power Electron，2008，1（3）：395－407.

［14］ 纪明伟，张 兴，杨淑英.基于电压源逆变器的微电网控制策略［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（11）：1678－1682.