九开关型永磁同步风电系统运行控制研究

杨 帆，韩俊飞，胡宏彬，廉茂航，任永峰

(1.国网河北省电力有限公司检修分公司，石家庄 050071；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；3.国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司，内蒙古 通辽 028000；4.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051)

0 引 言

直驱式永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)具有效率高，可靠性高的优点，近年来在并网型风电系统中发展迅速[1]。常规PMSG的定子通过双脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)全功率变换器与电网相连，全功率变换器为背靠背式结构，由12个开关器件组成，所用器件数量多且结构较复杂。

九开关变换器(Nine Switch Converter，NSC)是传统背靠背式变换器演变而来的新型拓扑结构。九开关变换器在双路输出控制系统[2-3]、集成车载充电器[4]等方面研究已取得一定的进展。文献[5-6]分析了将NSC作为统一电能质量调节器，利用上、下通道实现并联电流和串联电压补偿的功能，实现治理电压、电流谐波畸变等电能质量问题，提高故障穿越能力。文献[7-8]将传统双馈风电系统中的背靠背式变换器替换为NSC，可省去3个开关器件，取得与原系统相同的性能。文献[9]将NSC替换常规双馈风电系统中网侧变流器，既不会造成NSC直流侧电压过高，同时可实现双馈风机并网运行控制与电压补偿一体化。NSC通过复用中间开关器件方式工作，因此研究适用于NSC特殊的调制方法具有重要意义。文献[10]采用正弦调制信号、三角载波通过逻辑运算产生正弦脉宽调制信号的调制方法。但NSC因其特殊的结构和正弦脉宽调制方法(Sine Wave Pulse Width Modulation，SPWM)，造成直流电压利用率偏低，制约其发展。已有学者对提高NSC的直流电压利用率进行研究，两类方法各有特点又有不足之处：文献[11]通过改进调制策略，采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，扩大了调制度的范围，但该方法需要复杂的数学算法推导；文献[12]在NSC前级串联Z源，通过引入直通零矢量，调整其占空比，以提高直流电压利用率，但串联Z源使得变换器的结构更加复杂，增加系统的损耗，能量传递效率降低。文献[13]阐述了SVPWM调制方式在宏观实质上可等效于SPWM调制波上叠加三次谐波。

1 九开关型永磁同步风电系统结构

为减少变换器开关器件的数量，根据九开关变换器的结构特点，提出采用NSC替换传统背靠背式变换器用于直驱永磁同步风电系统，实现风电并网运行。九开关型永磁同步风电系统拓扑结构如图1所示。在图1中，PMSG的定子与NSC中S4～S9构成的等效机侧变换器直接相连，由S1～S6构成的等效网侧变换器经过升压变压器与电网相连。C为直流侧电容，Rc为卸荷电阻，Lg和Rg分别为滤波电感、等效电阻，Cg和Rd分别为滤波电容、阻尼电阻。

图1 九开关型永磁同步风电系统拓扑结构

2 九开关变换器工作状态及三次谐波注入

2.1 九开关工作状态

由图1中所示的九开关变换器拓扑结构，上、下通道通过复用中间开关器件S4～S6实现双路输入/输出。以A相所在第一桥臂为例，由开关器件S1、S4、S7构成，上、下通道调制信号表示为

(1)

式中,UAH、UAL分别为上、下通道调制信号幅值，ω1、ω2分别为调制信号角频率，由于电网频率和PMSG定子频率不同，即ω1≠ω2，本文采用异频调制，φ1、φ2分别为调制信号初相位。为避免上、下通道调制信号有交叉，需要加入直流偏置量，以满足uAH>uAL的条件[10]，可表示为

(2)

其中，UDC1=1-UAH，UDC2=1-UAL。

九开关变换器采用SPWM调制方式，将三角载波信号Ux与两路正弦调制信号uAH、uAL进行比较得到上、下通道开关信号，而中间开关信号通过“异或”逻辑关系得到。NSC的第一桥臂调制状态如表1所示。其中，P、N、Z分别表示开关模式，UH、UL表示H点、L点处的电位。

表1 九开关变换器调制状态

由表1可知，上通道调制信号幅值大于下通道的调制信号，因此A相桥臂只有3种开关模式，分别以P、N、Z表示。

由于构成九开关变换器的三相桥臂之间相互独立，彼此互不影响，则九开关变换器的开关模式共有33=27种。图2展示出了27种开关模式。

图2 九开关变换器27种开关模式

2.2 三次谐波注入

九开关变换器采用常规SPWM调制方式使得直流电压利用率较低。为克服这一缺点，本文采用一种在三相正弦调制波叠加三次谐波的方法，将调制信号调制成马鞍波，以扩大调制度范围。由于系统无中线，零序分量对调制信号不会产生影响，既不引入复杂的控制算法，同时兼得输出波形的质量。

将谐波分量注入三相调制波，以上通道为例，其表达式为

(3)

式中,aUxH为三次谐波幅值。

将式(3)A相表达式改写为[14]

uAH=UAHsin(ωt)[(1+3a)-4asin2(ωt)]

(4)

为了使调制信号幅值最大，对(ωt)求导，当

(5)

式(4)中uAH取极值，以最大值为例，将式(5)带入式(4)，可得

(6)

对式(6)求导，可得a=1/6时，uAH取最大值。

由上述分析可知，当三次谐波的幅值为1/6的基波幅值时，可使调制波幅值最大。电网频率50Hz，PMSG定子频率10.3Hz，注入三次谐波后，正弦波调制为马鞍波，扩大了调制度范围，NSC的上、下通道三相调制信号波形如图3所示。

图3 NSC上、下通道调制波

3 九开关型永磁同步风电系统控制策略

3.1 机侧控制策略

由图1所示，由S1～S6构成的等效机侧变换器通过LC型滤波器与电网相连。机侧控制策略以精确的PMSG数学模型为基础。采用转速外环电流内环的双闭环控制，实现最大功率跟踪和控制发电机输出功率。转矩电流关系采用最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制，即单位电流下获得最大的转矩。PMSG在dq坐标系下的电压方程为

(7)

式中，Ld、Lq为定子电感dq轴分量，ψf为转子磁链，isd、isq分别为定子电流dq轴分量，ωs为PMSG转子同步角速度。

3.2 网侧控制策略

PMSG定子与S4～S9构成的等效网侧变换器相连。根据电网电压定向矢量控制，将电网电压矢量eg定在dq坐标系下的d轴上，即egd=ud，egq=0。采用电压外环电流内环的双闭环控制策略，保持直流侧电压稳定，实现有功无功的解耦控制，保证网侧逆变器工作在单位功率因数状态。等效网侧变换器dq坐标系下的方程可表示为

(8)

式中，igd、igq分别为电网侧电流dq轴分量，ud为

电网电压d轴分量，Rg为等效电阻，Lg为滤波器电感，ωg为电网同步角速度。

九开关型永磁同步风电系统控制策略在传统控制策略基础上，还需对上、下通道调制波加入直流偏置量，以满足上通道调制波幅值大于下通道调制波的条件。系统控制策略结构图如图4所示。

图4 九开关型永磁同步风电系统控制策略

4 仿真验证及分析

4.1 九开关型永磁同步风电系统稳态仿真分析

为验证九开关型永磁同步风电系统运行能力，在Matlab/Simulink下建立基于九开关变换器的直驱式风电系统仿真模型，仿真参数如表2所示。

表2 九开关型永磁同步风电系统模型参数

在渐变风速下，系统中的风力机、发电机、电网侧仿真结果如图5所示。

由图5(a)可以看出，额定风速为9 m/s，在0.75 s时风速下降到7 m/s，随后到1.6 s时逐渐上升为11 m/s。风力机的转速能快速跟随风速的变化，当超过额定风速以后，变桨装置启动，桨距角β变为10°，将风力机输出功率限制在2 MW以内。风能利用系数Cp在额定风速下为0.51，叶尖速比λ为8.8。当超过额定风速时，Cp和λ有所下降。由图5(b)可知，PMSG转子转速和定子电流幅值随风速变化而变化，定子电流频率在额定转速下保持在10.3 Hz，与发电机定子44对的极对数理论相一致。由图5(c)可得，PMSG输出有功功率Pg变化与风速变化保持一致，在额定风速下，功率达到额定功率2 MW，风速在7 m/s时，发电机输出功率下降到1 MW，风速达到11 m/s时，由于桨距角变化，输出功率限制在2 MW，无功功率Qg基本保持为零，直流侧电压基本稳定在2 400 V

4.2 九开关型永磁同步风电系统故障穿越仿真分析

为验证九开关型永磁同步风电系统在电网发生故障时的运行特性，根据故障穿越相关技术规定，设定系统在额定风速下，电网三相电压跌落80%，持续时间625 ms。故障期间，卸荷电路投入工作，仿真结果如图6所示。

图6 三相严重对称故障下仿真结果

如图6所示，0.4 s时并网点三相电压跌落80%，1.025 s时故障切除。故障瞬间NSC直流侧有20 V过电压，随后卸荷电路投入运行，过电压消失。故障期间，并网点有功Pg为0.4 MW，卸荷电阻Rc消耗1.6 MW，无功功率Qg基本为零。故障切除时，直流母线电压骤升50 V，之后快速恢复到2 400 V。可知，在电压严重跌落情况下，采用卸荷电路实现机组故障穿越，九开关型永磁同步风电系统仍可并网运行。

5 结 论

本文针对九开关变换器器件数量少、使用灵活的特点，将其替代背靠背式变换器应用于直驱式永磁同步风电系统中。确定了NSC上、下通道的连接方式，将PMSG与NSC下通道相连，NSC上通道经过滤波器与电网相连。为提高NSC直流电压利用率，结合常规直驱式风电系统的机侧、网侧控制策略，设计了三相调制波信号注入三次谐波的调制方式。通过仿真验证了NSC在直驱式风电系统中可实现与传统背靠背式变换器同样的性能，联合卸荷电路可提高风电系统的故障穿越能力。