不对称电网电压下基于正负序分量检测风电换流器控制策略

蒋辰晖（国网上海市电力公司经济技术研究院，上海　200002）



不对称电网电压下基于正负序分量检测风电换流器控制策略

蒋辰晖
（国网上海市电力公司经济技术研究院，上海200002）

KEY W0RDS：wind Power；PWM converter；Positive and negative sequence detection；asymmetric Power grid fau1t

摘要：提出了不对称电网的概念，阐述了电网电压不平衡产生的原因和典型的故障类型，给出了滤波器法和1/4周期延时法2种正负序分量检测方法。在正负序分量检测的基础上，讨论了针对不对称电网的改进的双闭环控制方案，通过建立正负序d、q坐标轴下的电流、电压和功率的方程，使得改进以后的双闭环系统可以使PWM换流器工作在不对称电网中，并保持输入电流正弦以及输出直流电压恒定。使用Mat1ab/ Simu1ink工具进行了仿真验证，结果表明：基于正负序分量检测的双闭环控制策略能够在对称和不对称电网下都有良好的表现，因此可以实现故障电网下的不间断运行。

关键词：风力发电；PWM换流器；正负序检测；不对称电网故障

传统的直流输电PWM换流器控制策略假定电网是对称的，三相电压时间和空间都是互差120度。而当电网电压出现不对称故障的时候，这种控制策略会产生二次谐波，影响换流电路的性能。传统的控制策略不能保证良好的效果，二次谐波幅值增大，产生非特征谐波，同时损耗相应增大，严重时可能造成PWM换流器的烧毁。所以近年来国内外都对不对称故障下PWM换流器的控制策略进行研究。改进后的策略必须要保证2个性能指标：输出电压的恒定以及输入电流的正弦[1-3]。

为了使换流器在电网不对称条件下仍然正常运行，必须抑制输入侧的谐波功率。电网不对称故障引起用户电网终端存在着正序和负序电压，为了抑制谐波功率，必然需要让PWM换流器存在相应的负序电流，才能满足单位功率因数运行。传统的双闭环系统中仅对正序电流进行直接控制[4-5]，而在电网电压不对称时，则需要改进电流控制策略对网侧的负序电流也进行控制。

本文应用的是正负序d、q电流内环控制，这种方法基于不对称电网下正负序分量的检测。正负序d、q坐标控制的方法是对传统双闭环结构的一种改进。它继承了传统的双闭环结构，控制思想比较直接，并且能够很好地在不对称电网下对正负序量进行控制，保证了PWM换流器在故障电网下的输入输出特性，提高它的不间断运行能力。

本文提出了不对称电网的概念，阐述了电网电压不平衡产生的原因和典型的故障类型，提出了滤波器法和1/4周期延时法2种正负序分量检测方法。在正负序分量检测的基础上，讨论了针对不对称电网的改进的双闭环控制方案。通过建立正负序d、q坐标轴下的电流、电压和功率的方程，使得改进以后的双闭环系统可以使PWM换流器工作在不对称电网中，并保持输入电流正弦以及输出直流电压恒定。最后使用Mat1ab/Simu1ink工具验证了控制策略的正确性。

1　电网的不对称故障

电网电压都是通过高压输电传送的，所以要分析用户终端的电压情况，首先就要分析高压输电端电网故障类型。高压端故障可以大致分为三相电压等值跌落、单相电压跌落、相间电压故障和两相对地短路故障这4种典型故障，其他非典型故障都可以归到这4类典型故障中。

输送时的电网和供给设备终端的电网并不是直接连接的，必须要通过变压器来进行不同电压等级的匹配。所以不对称的电网故障，实际上是通过变压器来传递的。因此，用户终端电网的电压不对称故障除了和远端高压侧的故障有关系，和变压器的绕制也有关。变压器的绕制方式有不改变电压的相位和相对幅值大小的变压器，消除零序分量的变压器，将原边的相、线电压转换成副边的线电压和相电压的变压器3类。

用户终端的电网故障有2个影响因素，高压端的4种典型故障和3种典型变压器。因此，可以得到7种终端电网的不对称故障，这7种故障类型及其特性如表1所示。

表1　7种故障类型及其特性Tab. 1 Seven types of faults and thelr characterlstlcs

作为控制前提，电网是一个三相三线制的电网，各相电压瞬时值之和为0，在进行控制分析之前，提出以下几个假定[6-8]。

1）用户终端电网是一个三相三线制系统，所以故障中不存在零序电流。

2）用户终端电网中正序和负序分量的阻抗相同，并且远小于PWM整流器，所以可以将电网看成是一个理想的正序三相电源和一个理想的负序三相电源的串联。

3）高压端两相对地短路时，假定零序阻抗较大，使得故障两相的电压幅值不能完全为0，不出现极端情况，所以正负序分量不能相等。

在假定条件下，用户终端电网故障的类型剩下5种。故障2和故障5是不存在三线制的电网中的。因此假定1是合理的。这样用户终端的电网就成为了没有零序分量，负序分量可调的故障电网。

2　双闭环控制策略的改进

由假定条件可知，在电网不平衡时，由于零序分量无流通路径，三相电压或电流分解成为正序分量和负序分量。α、β固定坐标系下三相电量可分解为：

将正、负序分量分别转换到正、负旋转坐标系上，那么正、负序分量在正、负序旋转坐标系下均体现为直流，如图1所示。

图1　α、β坐标系与正、负序旋转坐标系Flg. 1 α、β reference frame and the d＋q＋and d-qreference frames

由直驱风力发电机组接线可以得到网侧电磁暂态模型：

其中：

控制二次波动的有功功率为0，就可以达到避免二次直流电流、电压波动的目的，即令Pcos2＝Psin2＝0，因此电流的控制目标为：

由网侧电磁暂态模型式（2）可以得到正、负序控制器表达式：

由式（6）～式（8）可得改进后的双闭环控制策略，如图2所示[9-10]。

3　正负序分量检测

目前，正负序分量分离的一般的方法是使用滤波器，低通、带通、带阻和高通都可以达到需要的效。另外，也有针对正负序分量的特点对采样点进行数学计算，从而得到比较理想的正负序量的T/4延时计算法。将对这2种方法进行一个简要的介绍。具体的仿真效果将在第4节中给出。

3.1陷波器进行正负序分量分离

在dq同步旋转坐标系中可以发现：正序同步坐标中，正序分量为一个直流量，负序分量为一个2倍频的正弦量。同样，在负序同步坐标系中，负序分量为一个直流量，正序分量为一个2倍频的正弦量。正负序分量在常用坐标轴下的旋转速度如表2所示。

表2　正负序分量在常用坐标轴下的旋转速度Tab. 2 Rotatlonal speed of posltlve and negatlve sequence components ln common coordlnate axes

由表2可知，在dq坐标系下，为了将正负序分量分离，可以用2f陷波器来滤除正（负）序分量，如图3所示[11-12]。

图3　正负序分离Flg. 3 The posltlve and negatlve sequences

数字滤波器技术目前已经发展较成熟，应用范围较广，精度也可以做得比较高，滤波只需要几个采样点就可以进行。但是滤波器用在控制上有2个明显的缺点：

1）滤波器的不能做到无差分离。本文的控制算法建立在正负序分量分离的基础上，这就要求分离中有非常高的精度。尽管滤波器的阶数可以做得很高来提高滤波的精度，但是，首先牺牲了响应的速度，引起较大的时延；其次增加了控制的复杂程度，增加了处理器中编程的难度。

2）滤波器会破坏系统的稳定性。一个系统的稳定需要有一定的稳定余量，滤波器在控制系统中必须被看成一个独立的环节，当滤波器的阶数越高，就对系统的稳定性能影响越大，而低阶的滤波器又不能取得到很好的滤波效果。滤波器的使用同时也影响系统的稳定性能，增加了确定PI参数的难度。

分析了滤波器给系统带来的优缺点，发现滤波器作为一般通用的方法，尽管可以实现正负序分离的方法，但是从控制性能角度来讲，并不是最好的方法。因此，希望能有更加针对性的正负序分离方法来替代[13]。

3.2 T/4延时计算法进行正负序分量分离

数字滤波器是一种通用的算法，应用在本文的特殊场合中存在弊端。所以希望从不对称变量的特征上来提出一种比较有针对性的方法。式（9）是正负序分量的表达，根据电网故障的假设，是三相三线制系统，没有零序分量。

式中：fa（t）、β（t）为这个时刻的αβ轴上的幅值；fP，fn为正负序分量的幅值。式（10）是T/4周期前的不对称的矢量表示。体现在相位上正序分量落后了π/2，负序分量超前了π/2。

式中：fa（t-T/4），fβ（t-T/4）为T/4周期前时刻的α、β轴上的幅值。可以对式（10）进行简化，得到：

根据式（9）、式（11）可以得到正负序分量的表达式为：

式中：faP、fβP、fan、fβn为正负序分量在αβ轴上的幅值。

由式（12）可知，当知道t时刻前T/4的信号状态时，假定这个信号在前T/4周期内按照一定的正负序组合变化，那么在t时刻可以得到这段时间中正负分量组合在t时刻的表达。单从计算上看，T/4延时的方法是一种非常理想的计算方法，能够无差地将正负序分量分离开来。而且和滤波器最大的不同，优点在于基本上对控制系统的稳定性没有任何影响。在控制系统中不需要将变换作为一个独立的环节来考虑，因此可以忽略计算的影响。这对从对称控制到不对称控制的改进有很大的优势，PI参数有很宽的可调范围[14-16]。

从2种分量分离的方法来看，T/4延时计算的方法更加具有针对性，但是动态时间从原理上要长于使用滤波器。因为本文进行的仿真和实验的故障都不是瞬时故障，希望能够得到很好的稳态性能而对于动态过程的影响要求不高。因此，T/4延时计算的方法更适合使用在本文的不对称控制系统中。

4　仿真验证

为分析不对称电压下风电并网暂稳态过程，验证基于正负序分量检测的双闭环控制策略，本文使用了Mat1ab/Simu1ink建立了单端风电场和变流器模型。系统各项参数如表3所示。

表3　系统各项参数Tab. 3 The system parameters

系统各项PI调节器参数如表4所示。

仿真结果如图4—图8所示。

从仿真结果中可以看出：

1）基于负序分量检测的控制策略在交流电压正常时也可以正常工作。

2）交流电压发生电压跌落时，采用传统控制方法在直流端产生了幅值为0.05 Pu的二次谐波。而采用改进控制方法后，初始二次谐波幅值明显减小（约为0.02 Pu）且在0.5 s的暂态波动后完全消去了二次谐波并使电压稳定在参考值。

图4　故障时直流电压Flg. 4 DC voltage at fault

图5　故障时负序电压分量Flg. 5 Negatlve sequence voltage component at fault

图6　故障时负序电压分量（单相电压跌落0.5 pu）Flg. 6 Negatlve sequence voltage component at fault （slngle phase voltage sag at 0.5 pu）

图7　故障时采用传统双闭环控制直流电压Flg. 7 The tradltlonal double closed-loop control dc voltage at fault

图8　故障时采用改进的双闭环控制直流电压Flg. 8 The lmproved double closed loop control the dc voltage at fault

基于正负序分量检测的控制方法，在对称电网下有和传统控制策略相近的控制特性，在不对称电网故障下能够保证直流输出电压的稳定和输入电流的正弦，有效抑制谐波功率的产生。它保证了换流器在电网故障下的不间断运行。仿真结果也验证了该控制策略有非常优良的控制性能，是电网故障下控制风电换流器的有效手段。

5　结语

本文的研究重点是风电换流器的不对称控制策略。在电力电子迅速发展的今天，整流电路的使用量越来越大，功率也越做越高。传统的相控和不控整流会对电网造成非常大的影响。为了得到整流的单位功率因数，有效抑制谐波PWM整流技术，成为目前国内外研究的重点。

在分析了不对称电网故障下电压、电流和功率的特点后，对传统的双闭环控制系统中存在的问题作了分析。进行了正负序同步坐标轴电流独立控制的改进。建立了不对称电网故障下不间断运行的控制原理。通过仿真验证了控制策略理论的正确性。在对称、不对称电网下观察了传统双闭环和T/4延时计算双闭环控制系统的直流母线电压。仿真结果表明，基于正负序分量检测的双闭环控制策略能够在对称和不对称电网下都有良好的表现，因此可以实现故障电网下的不间断运行。

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蒋辰晖（1989—），男，硕士，助理工程师，主要从事电力设计工作。

（编辑董小兵）

Project SuPPorted by the Nationa1 Natura1 Science Fund（51207101）.

Control Strategy of Wlnd Power Converter Based on Negatlve Sequence Component Detectlon under Asymmetrlc Grld Voltage

JIANG Chenhui
（Economic Research Institute，State Grid Shanghai MuniciPa1 E1ectric Power ComPany，Shanghai 200002，China）

ABSTRACT：This PaPer Puts forward the concePt of asymmetric Power system and exPounds the causes of the unba1anced grid vo1tage and tyPes of the tyPica1 fau1ts，and Presents the detection method of two Positive and negative sequence comPonents of both the fi1ter method and 1/4 cyc1e de1ay method. Based on the Positive and negative sequence detection，the PaPer discusses the imProved doub1e c1osed 1ooP contro1 for the asymmetric grid system. Through the estab1ishment of the equations of current，vo1tage and Power in the Positive and negative sequence d，q axis，the imProved doub1e c1osed-1ooP system ensures that the PWM converter can work in the asymmetric Power grid and the sinusoida1 inPut current and the DC vo1tage outPut are stab1e. The Mat1ab/Simu1ink too1 is used and the simu1ation resu1ts show that the imProved doub1e c1osed 1ooP contro1 strategy based on the detection of the Positive and negative sequence comPonents has good Performance in both the symmetric and asymmetric Power grids and he1Ps to rea1ize the uninterruPted oPeration of the Power grid at fau1t.

作者简介：

收稿日期：2015-02-05。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51207101）。

文章编号：1674-3814（2016）01-0089-06

中图分类号：TM614

文献标志码：A