分频风电系统的控制策略研究

孙博力，高桂革，曾宪文

（1.上海电机学院电气学院，上海 201306；2.上海电机学院电子信息学院，上海 201306）

分频风电系统的控制策略研究

孙博力1，高桂革1，曾宪文2

（1.上海电机学院电气学院，上海 201306；2.上海电机学院电子信息学院，上海 201306）

针对高压交流输电系统输电距离不足和高压直流输电系统投入成本过高的问题，提出了一种基于模块化多电平矩阵变换器（M3C）的分频输电（FFTS）系统。在不升高电压等级的条件下，通过降低远距离输电线路中交流电的频率来减小输电的电气距离，从而提高输电功率，实现交流电远距离输电的目的。M3C是一种新型的电力电子变换器，具有可以在高压、大功率和低频条件下稳定运行的特点。提出了一种基于改进电压空间矢量法的M3C控制策略。采用H桥臂两端的电压代替输出端的有功功率，进行脉冲宽度调制PWM控制。根据直驱式风力发电机的最大功率跟踪原理和分频输电系统的频率特性，提出了一种分频输电系统的低频侧频率控制策略，即在追求最大功率的同时，保证输出频率控制在10～20 Hz。最后采用MATLAB/Simulink进行仿真，验证了这两种控制策略的有效性。

分频输电系统；模块化多电平矩阵变换器；电容器；最大功率跟踪；电压空间矢量法

0 引言

风能是较为理想的能源之一，风能发电是研究热点之一［1-2］。随着海上风力发电技术的发展，风力发电呈现从近海风力发电到远距离海上风力发电的发展趋势。这带来了远距离输电问题，分频输电系统开始受到了关注［3-4］。分频传输是由王锡凡教授于1994年提出的一种输电方式［5］。

模块化多电平矩阵变换器（modular multilevel matrix converter，M3C）是一种新的级联H桥交交变换器，用于分频系统则可以作为大功率变频器。相对于模块化多电平变换器（mudular multilevel converter，MMC），M3C很容易用于高压低频大容量的场合，并且可以在输入输出端快速控制无功功率，不需要大电容器进行无功补偿［6］。

文献［7］初步研究了分频风电系统的频率优化控制策略；文献［8］研究了矩阵式交交变频器的空间矢量调制策略；文献［9］提出了不同频率下M3C的拓扑控制原则；文献［10］～文献［13］将空间矢量法和电流控制法用于M3C。但是这些方法要求每个桥臂采用大电感器来控制循环电流。

本文将M3C作为交交变频器用于分频分电系统，提出了低频侧频率的控制方案，进而提出一种改进的M3C电压空间矢量控制法。通过仿真验证控制策略的有效性。

1 基于M3C的分频风电系统模型

图1为基于M3C的分频风电系统结构图。风场风机为永磁直驱式海上风力发电机，升压后通过分频输电线路传输到岸上，用M3C代替普通分频系统中的变频器。图1中：A点频率为10～20 Hz，B点频率为50 Hz。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

永磁直驱式风力发电机更适用于分频输电系统。海上风场多台风机的输出直接连接分频的交流母线。永磁直驱式风力发电机，通过调节风轮转速来控制交流电的频率，无需换流器，降低了成本，使整个系统的结构更为简单。分频线路则弥补了工频高压交流输电的输送距离不足和高压直流输电成本高的缺点。M3C可以在高压、大容量且低频的工况下运行，实现AC-AC频率的直接转换。

2 M3C的基本结构

模块化多电平矩阵变换器（M3C）的拓扑结构由9个桥臂（3×3）级联而成，每个桥臂由3个H桥子模块和1个电感串联，其中H桥子模块为基于IGBT的交直交全桥型模块。三相输入与三相输出的交流频率分别是10 Hz与50 Hz，将这种结构的M3C用于分频风电系统作为陆上交交变频器，用于将10 Hz电流转换成工频电流。

3 分频风电系统的频率控制

3.1 直驱式风力发电机的最大功率跟踪

永磁直驱式风力发电机的控制策略根据风速可以分为两个阶段。

当风速处于切入风速和额定风速之间时，根据式（1），要使风力发电机工作在最大风能的捕捉模式下，只要将叶片桨距角保持在较小值。调节风轮转速，使它在风速变化的情况下保持最佳的叶尖速比，就可以获得最大的风功率系数。

式中：P为风力发电机输出功率；Cp为风能利用率，为叶尖速比和桨距角的函数；A为叶片扫过的面积；ρ为空气的密度；v为风速。

只要保持最佳的叶尖速比，就能实现最大功率的跟踪。

当风速大于额定风速时，则需要调节桨距角来限制减少风能的捕获，降低功率。这样可以保证稳定的额定功率，在保证效率的同时确保了风电机组及电网的稳定性。

最大功率跟踪控制如图2所示。风功率输出曲线如图3所示。

图3中：PN为额定功率；Vci为切入风速；Vco为切出风速；VN为额定风速。

3.2 低频侧频率的优化控制

在永磁直驱式风力发电机的情况下，风力发电机的转速和低频侧的频率成正比。低频侧频率优化控制原理是直驱式风机用于分频风电系统时要保持低频侧频率。

低频侧频率控制如图4所示。

图4 低频侧频率控制图Fig.4 Frequency control atlow-frequency side

需要确定风速频率拟合曲线，在切入风速时控制低频侧风速频率在10 Hz，在切出风速时控制低频侧频率风速频率在20 Hz，最后确定额定风速下的最佳频率。最佳频率控制如图5所示。

图5 最佳频率控制框图Fig.5 Block diagram of optimal frequency control

图5中：输入数据为风电场的历史风速、风机型号和风电场的分布情况数据。

风场风速模型采用Weibull分布模型：

式中：g（v）为风速分布的概率密度函数；k为曲线的形状参数；c为风场平均风速的尺度参数。其中，k和c可以用参数估计法，即采用式（3）和式（4）进行计算。

式中：Pt为该频率下风电场的总功率。

频率取值范围为10～20 Hz，每隔0.1 Hz进行取值，将所有的平均功率进行对比，选出最大的作为额定风速下的最佳频率。

4 M3C的控制策略

空间矢量法是一种用矢量代表三相电压电流和相位的简单有效的方法，它和复数向量不同，可以用一个旋转的向量表示3个物理量。

图6 电压空间矢量法示意图Fig.6 Voltage space vector method

将每个H桥的电容器当作是电压源，每个线间电压则是这些模块输出电压的组合。电压空间矢量法如图6所示。每个顶点表示各电压矢量的终点，每个电压参考方向（Vref）是3个电压矢量的组合，即端点形成的三角形。根据式（6）、式（7）和三个电压矢量，可以求得输入端的占空比。

输出端的占空比也可以用同样的公式求得，这样就可以得到每个采样周期Ts中的电压情况。输入输出端电压矢量占空比如图7所示。图7中，根据矢量点，Ts分为5个阶段。

图7 输入输出端电压矢量占空比Fig.7 Duty ratios of input/output voltage vectors

电压空间矢量法流程如图8所示。

图8 电压空间矢量法流程图Fig.8 Flowchart of voltage space vector method

图8中：输入端有功功率（P1）、输入端无功功率（Q1）和输出端无功功率（Q2）由dq的PI控制，分别是dq/uvw和dq/abc。将输出端的P2用H桥两端的电压VH替代，因为将所有电容器当作是电压源，所以VH为整个桥臂的电压除以3得到。

5 仿真

5.1 频率控制仿真

以上海东海大桥的风电场为例，风机的额定功率为2 MW，额定电压为0.69 kV，切入风速3 m/s，额定风速11 m/s，切出风速25 m/s，塔高67 m，单叶片长度约40 m，东海大桥东侧呈4排机排列，各风机间南北间距500 m，东西间距1 000 m。选取上海2016年5月到8月这3个月数据，每隔10 min测一次的历史风速，期间的空气平均密度为ρ=1.14 kg/m3。

由式（3）、式（4）可得：c=3.41、k=4.71。根据式（2），风场风速分布的概率密度函数为：

根据图5得到最佳频率为15.6 Hz，即可以得到该风电场的风速与低频侧的频率拟合曲线，如图9所示。这样控制低频侧频率，可以在得到最大功率的同时将输出频率控制在10～20 Hz。

图9 风速与低频侧频率拟合曲线Fig.9 Wind speed vs.low frequency fitting curve

当风速为切入风速（3 m/s）时，低频侧频率控制为10 Hz；当风速大于切入风速（3 m/s）且小于额定风速（11 m/s）时，低频侧频率控制如式（9）所示；当风速大于额定风速（11 m/s）且小于切出风速（25 m/s）时，低频侧频率控制如式（10）所示。

5.2M3 C控制仿真

结合M3C拓扑结构，图6和图8的M3C控制方法以及图7的PWM占空比，采用MATLAB/Simulink进行仿真验证。M3C仿真数据如表1所示，将10 Hz的高压电流转化成50 Hz。

表1M3C仿真数据Tab.1 M3C simulation data

输入/输出端电流、电压波形如图10所示。将输入端的10 Hz电流转换成50 Hz的电流，且电压和电流的总谐波失真都低于2%。这就验证了M3C是分频输电系统中较好的替代变频器，进而说明了本文方法的有效性。

图10 输入/输出端电流、电压波形Fig.10 Waveforms of input/output current and voltage

6 结束语

本文将M3C作为交交变频器用于分频风电系统。结合直驱式风机的最大功率跟踪特性［14-15］，提出了一种低频侧频率的控制方法，拟合得到某种风场情况下风速和频率控制曲线，可以将这种控制方法应用到不同情况的风场。同时，提出了一种改进的电压空间矢量方法。该方法用于M3C的频率变换控制，将10 Hz的电流转换成50 Hz的电流。仿真验证了该控制策略的有效性。

［1］陶建格，薛惠锋.能源约束与中国可再生能源开发利用对策［J］.资源科学，2008（2）：199-205.

［2］周双喜，詹宗相.风力发电与电力系统［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［3］ RUDDYN J，MEERE R.Low frequency AC transmission for offshore windpower［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016（56）：75-86.

［4］王锡凡，曹成军，周志超.分频输电系统的实验研究［J］.中国电机学报，2005（12）：6-11.

［5］ XIFAN W.The fractional frequency transmission system［C］//IEEE Japan Poweramp;Energy.Tokyo，Japan：IEE，1994：53-58.

［6］李峰，王广柱，刘汝峰.模块化多电平矩阵变换器低频控制方法［J］.电力系统自动化，2016，40（2）：127-133.

［7］王传杰.分频风电系统的频率优化控制策略研究［J］.电网与清洁能源，2009（3）：43-47.

［8］杨权新.风力发电经分频输电系统并网技术研究［D］.北京：北京交通大学，2010.

［9］ KORNA J，WINKELNKEMPER M，STEIMER P，et al.Direct modular multi-level converter for gearless low-speed drives［C］//Proceedings of 14th European Conference on Power Electronics and Applications，2011.

［10］ANGKITITARKUL S，ERICKSON R.Control and implementation of anew modular matrixconverter［J］.IEEE-APEC，2004（2）：813-819.

［11］ANGKITITARKUL S，ERICKSON R.Capacitor voltagebalancingscheme for the modular matrix converter［C］//IEEE-APEC，2006.

［12］KAMMERER F，KOLB J，BRAUN M.A novel cascaded vector controlscheme for the modular multilevel converter［J］.IEEE，Industrial Electronics，2011，68（5）：1097-1102.

［13］KAWAMURA W，AKAGI H.Control of the modularmultilevelcascade converter based on triple-star bridge-cells（MMCC-TSBC）formotordrives［J］.EnergyConversionCongressamp;Exposition，2012，11（4）：3506-3513.

［14］QIN N，YOU S.Offshore wind fan connection with low frequency AC transmission technology［C］//IEEE Poweramp;Energy Society General Meeting，2009：1-8.

［15］NGUYEN C.Grid Connection of Offshore wind farm based DFIG with low frequency AC transmission system［C］//Poweramp;Energy Society General Meeting，2012：1-7.

Research on the Control Strategy of Fractional Frequency Wind Power System

SUN Boli1，GAO Guige1，ZENG Xianwen2
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China；2.School of Electronic Information，Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China）

For the problems that the transmission distance of the HVAC transmission system is insufficient and the high input costs of the HVDC transmission system，the fractional frequency transmission system（FFTS）based onmodular multilevel matrix converter（M3C）is proposed.It refers to reducing the electrical distance of the transmission by reducing the frequency of current in long distance transmission line while without increasing the voltage level，thereby improving the transmission power and achieving the goal of long distance AC transmission.As a new type of power electronic converter，M3C features the ability to operate stably under high voltage，high power and low frequency conditions;it can be used as a cross-over frequency converter for fractional frequency wind power system.An improved voltage space vector method is put forward to be used as the control strategy of M3C.The active power at the output end is replaced by the voltage across the H bridge arm to control the PWM.According to the maximum powerpoint tracking principle of direct-driven wind turbine generator and the frequency characteristics of the fractional frequency transmission system，the frequency control strategy forthe low-frequency side is proposed，that is，in the pursuit of maximum power at the same time，to ensure that the output frequency controlled in 10～20 Hz.The effectiveness of these two control strategies are verified by simulation.

Fractional frequency transmission system；Modular multilevel matrix converter（M3C）；Capacitor；Maximum power point tracking；Voltage space vector control scheme

TH7；TP27

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711005

修改稿收到日期：2017-06-06

孙博力（1992—），男，在读硕士研究生，主要研究方向为风电传输。E-mail：474799691@qq.com。高桂革（通信作者），女，博士，教授，主要研究方向为分布式风电控制优化算法、风力发电机组远程监控系统、分布参数系统、小波理论及应用、控制理论及应用。E-mail：gaogg@sdju.edu.cn。