永磁风电系统的低压穿越组合控制策略

陈攀

（云南电网有限责任公司昆明盘龙供电局，云南 昆明 650011）

0 前言

由于风能资源主要分布于偏远地区与海上[1-2]，因此，风电场附近的网架较为薄弱，容易出现电压跌落故障。在永磁风力发电系统中，永磁发电机输出的功率通过全功率变流器直接输送到电网，因此当电网电压跌落时，机侧多余的能量引起的直流电容过电压将导致开关器件以及直流母线电容的损坏，进而给自身和电网带来的稳定性问题[3]。因此研究低电压穿越技术对维持整个电网的稳定具有重要的现实意义和应用价值。

针对永磁风力发电系统的低电压穿越问题，国内外学者针对永磁风电系统提出了一系列的基于增加硬件保护电路和改进控制策略的低电压穿越控制方案。硬件保护方面，文献[4]通过在直流侧加带耗能电阻的撬棒电路实现低压穿越，电压跌落时，投入撬棒电路，让这部分多余能量消耗在耗能电阻上，电路结构简单，实用性高，但是此方法要额外考虑耗能电阻的散热问题；文献[5]在直流侧撬棒电路中增加储能元件，这种方法虽然可以重复利用多余能量，但储能元件额外提高了系统成本。改进控制策略方面，文献[6]通过控制网侧变换器，使其在电网电压跌落期间，提供一定的无功功率对电网进行支撑，但是若电网故障较严重，持续时间较长，还是需要增加硬件电路进行保护。文献[7]将直流外环控制应用于在机侧变流器的控制中，转速外环控制应用于网侧变流器，从而使机侧变流器负责稳定直流电压，不再需要硬件保护电路，但控制原理比较复杂，系统成本较高。文献[8]提出改变变流器拓扑结构或者利用轻型直流输电来提高风电场的低电压穿越能力，这些技术相对来说都还不成熟。

本文将首先分析电压跌落情况下永磁风电系统的动态响应特性，然后提出一种低压穿越的组合控制策略，该策略可同时抑制直流侧电压和提供无功支撑，最后通过仿真进行验证。

1 风电系统的电压跌落响应特性分析

以如图1 所示的永磁直驱风力发电系统拓扑结构为对象进行分析，它主要由3 部分构成，分别是风力机、永磁发电机和连接永磁电机和电网的全功率变流器[9-10]。其中全功率变流器包括机侧变流器、直流环节、网侧变流器3 部分，机侧变流器将永磁电机发出的频率不固定的交流电能变为直流电能，经中间的直流环节，再由网侧变流器逆变为符合并网要求的工频交流电能。

图1 永磁直驱风力发电系统基本结构

当电网电压因为故障原因突然减小后，网侧变流器输出电压会在短时间内维持原来的值，由此会令网侧变流器与电网之间的电压差值瞬间上升，进而突然增大网侧的三相电流，此时增大的网侧电流暂时维持了机侧和网侧功率平衡，但若故障程度继续加深，超过了系统设定的网侧变流器开关器件所能承受的电流限值，电流就不会再继续增大，网侧和机侧的有功功率平衡就会被打破。

下面将从机侧网侧功率平衡的角度对永磁直驱风电系统在电网电压发生跌落故障下的暂态特性进行理论分析，机侧与网侧之间的能量交换如图2 所示。

图2 直流侧功率流动示意图

由图2 可以看出，在忽略变流器和网侧电抗器的损耗基础上，发电机输出的有功功率等于输入中间直流母线环节的有功功率，中间直流母线环节输出的有功功率等于输入电网的有功功率，方程如式(1)、(2)所示。

式(1)、(2)中，Ps为发电机输出的有功功率；Pg为输入电网的有功功率；usd、usq为发电机定子电压的的dq轴分量；ugd、ugq为电网电压的dq轴分量；udc为直流母线电压；isd、isq为发电机定子电流的dq轴分量；is为机侧变流器输出到直流侧的电流；ig为直流侧输入到网侧变流器的电流。

网侧变流器采用的是基于电网电压定向的矢量控制策略，可得ugq=0，因此式(2) 可以简化为：

当风电系统运行在正常工况时，电机的输出功率与输入电网的功率是相等的，即Ps=Pg，此时直流母线电容电压是稳定不变的，流过直流电容的电流基本为0；当出现电网电压跌落时，电机的输出功率与输入电网的功率就不再相等，出现了功率差值ΔP如式(4)所示：

当电网电压ugd突然跌落到ugd1时，若还是采用正常工况下的控制策略，因为风速未发生改变，因此发电机输出的有功功率Ps保持不变，同时网侧电流也不会发生突变，导致输入网侧的功率陡然下降，进而使机侧输出的功率大于输入网侧的功率，这部分多出来的能量会储存在直流母线电容上，使直流电压发生线性上升，假如没有限制网侧电流值，增大的直流电压通过网侧变流器的电压外环控制会使网侧电流从igd增大到igd1，从而使直流电压和网侧功率都恢复到正常运行的值，因此故障前后的网侧功率为：

假如电网电压跌落到0.2 倍额定电压，即ugd1=0.2ugd，则为了维持网侧功率不变，故障后的网侧电流需要增大到原来电流值的5 倍，即id1=5igd，但过大的电流会损坏变流器中的开关器件，因此需要对网侧电流进行限幅，限制了网侧电流之后，网侧功率不能恢复到正常值，式(5)变为：

本文将限流值设为1.2 倍的额定电流，因此发生电网电压故障后的网侧功率实际值如式(7)所示：

由式(7)可知，由于网侧电流的限幅，网侧的有功功率跌落到只有正常运行状态时24%的值，机侧与网侧之间的不平衡功率达到了0.76 p.u.，机侧比网侧多余的能量就会给直流电容电容充电，让电容电压持续上升，若超过直流电容或者变流器开关器件的所能承受的最大电压，则可能会导致电容或器件被击穿，威胁到整个风电系统的安全运行。

由上述特性分析可知，为了在电网电压出现跌落故障时，系统仍能维持正常运行，需要解决的关键问题就是直流环节两侧功率不平衡的问题，可在直流侧采取撬棒电路消除直流母线上的这部分不平衡功率。但根据并网要求，为了辅助电网在跌落故障发生后尽快恢复正常运行，需要网侧变流器提供一定的无功功率，因此本文引入引入网侧变流器提供无功支撑的控制方法来进一步完善风电系统的低电压穿越控制方案。

2 撬棒电路和网侧变流器提供无功的组合控制策略

2.1 直流侧撬棒电路的控制策略

当电网电压跌落时，在直流侧并联的撬棒电路能抑制直流母线电压过度攀升以致损害风电系统运行，以如图3 所示的耗能电阻型撬棒电路结构为基础，该电路结构是在直流侧增加耗能电阻，将能量消耗在耗能电阻上，避免直流电压因不平衡功率而上升到超过电容和开关器件所能承受的最大电压，直流母线通过功率器件与耗能电阻，连接方式相对简单，结构可靠性较高，因此得到了广泛应用。

图3 耗能电阻型撬棒电路

针对耗能电阻型撬棒电路本文采用的是如图4 所示的电压偏差经PI 调节控制方法，该控制方法是将直流电压偏差Δudc进行PI 调节，进而改变撬棒电路的导通占空比，相比于简单的直流电压偏差滞环控制方法，造成的直流侧电压波动相对较小，相比于复杂的双重条件控制法，控制条件的关系更易处理。

图4 PI调节控制法

2.2 网侧变流器提供无功支撑的控制策略

由网侧变流器的数学模型[11-12]可知，电网的d轴电流对应的是有功功率，q轴电流对应的是无功功率，通过电流内环控制可以使dq轴电流分别跟踪到它们的给定值，进而间接控制功率。因此从理论上讲，在低压穿越期间，可以通过给定电网q轴电流的参考值使网侧变流器提供相应的无功功率，辅助风电系统恢复正常运行。传统的dq轴电流控制框图如图5 所示。

如图5 所示，该电流控制框图包含两个控制目标，分别是确定有功电流的给定值idref和确定无功电流的给定值iqref无功电流的给定值由电网电压实际值Us与电网电压给定值Usref之间的电压偏差经PI 调节得到。在电网电压未发生跌落故障时，电压偏差为零，则计算得到的无功电流给定值也为零，此时网侧变流器不提供无功功率；当电网电压出现跌落故障时，电压偏差大于零，则计算得到的无功电流给定值也大于零，此时网侧变流器提供的无功功率就会随着电压偏差的增大而增大。有功电流的给定值是直流电压外环调节输出的给定值idref1与用于限流的给定值idref2之间作比较得到的较小值，当电网电压正常时，iqref为0，则计算得到的idref2为设定的最大电流值imax，此时有功电流采用较小的idref1作为给定值；当电网电压出现跌落故障时，直流电压会上升，则电压外环的输出idref1也会增大，为了限制网侧电流的大小，此时需要取idref1与最大有功电流idref2的较小值作为有功电流给定。由上述对控制框图的分析可知，该控制可以实现让网侧变流器根据电网电压跌落故障程度的大小输出一定无功电流以及限制流过网侧变流器电流的功能。

图5 STATCOM运行模式下的电流控制框图

但根据国家电网公司2012 年出台的风电并网规定可知，如果电网故障引起的标幺化风电系统并网点电压UT跌落程度只是在0.1 p.u.之内，网侧变流器依然可以运行在单位功率因数模式下；而当风电场并网点电压的波动超出一定范围时，也就是并网点电压处于0.2 p.u.与0.9 p.u.之间时，按照规定才需要网侧变流器根据电压跌落故障的严重程度提供一定的无功功率支撑，此时网侧变流器的无功电流的给定值IT关于UT和网侧电流额定值IN的表达式如式(8)所示：

因此不同于传统方案中通过PI 调节输出无功电流给定值，本文中网侧变流器优先按照国家电网规定需要提供无功电流，无功电流给定值与电压跌落严重程度的关系曲线如图6 所示。

图6 国家电网风电并网标准中规定的无功电流

2.3 组合低压穿越控制策略

电网电压跌落产生的直流电压过大的波动可以通过启动直流侧撬棒电路，将多余能量消耗在耗能电阻上，从而限制电压值于最大母线电压，直流电压越高，基于耗能电阻的撬棒电路投入的时间就越长，控制策略见2.1 节；同时为了提高风电系统的低压穿越性能，还可以按照风电并网规定来控制网侧变流器优先输出无功电流，提供无功功率支撑，一定范围内，电压跌落的深度越大，网侧变流器提供的无功功率就越大，有功电流参考值通过电网电压外环PI 调节器得到并限幅于最大输出电流。由于电网电压跌落越深,直流侧与电网侧功率越不平衡，对发电系统的威胁越大，有功功率输出能力不足直流母线电压失稳，必须投入直流母线侧撬棒电路,来消耗直流母线侧的多余不平衡能量。

本文提出的组合控制策略通过合理的控制有功电流使整个系统能够处于直流侧撬棒电路的保护范围内，同时还可以根据并网要求输出无功功率，来满足电网对于无功的需求。组合低压穿越的控制框图如图7 所示。

控制框图7 中，该组合控制方案在进行低电压穿越的时候主要有两个个控制目标，分别是防止直流电压因为不平衡功率被抬升得过高和控制网侧变流器由单位功率因数运行转为提供无功功率的运行。当电网电压跌落时，机侧的有功功率大于网侧的有功功率，两者之前的功率偏差储存在直流电容内让直流电压持续上升，当直流电压上升到使撬棒电路控制模块中的直流电压偏差超过限值时，该直流电压偏差值经过PI 调节输出得到直流侧撬棒电路的占空比，启动撬棒电路，让这部分不平衡功率消耗在耗能电阻上，维持直流电压的稳定，直流电压偏差值越大，输出得到的撬棒电路的占空比就越大，当电网电压恢复正常时，机侧与网侧之间的有功功率重新达到平衡，加上电压外环的调节作用，使直流电压重新回到给定值，直流电压偏差为零，从而撬棒电路也不再被触发；同时，图7 中计算无功电流的M 函数是一个有关电压跌落范围的条件函数，当电网电压正常或者跌落深度在0.1 p.u.以内时，由图6 可知，网侧变流器输出的无功电流依然为零，只输出有功功率；当电网电压跌落深度超出0.1 p.u.时，按照国家电网的风电并网要求，网侧变流器需要提供如式(8)所示的无功电流以助于风电系统进行低电压穿越。

图7 组合保护方案的控制框图

此外，考虑到电流过大会损坏网侧变流器开关器件，因此要对有功电流的给定值设计限值idref2，若原本电压外环输出的有功电流给定值idref1没有超过idref2则继续沿用idref1作为电流给定值，否则就采用idref2。

3 组合控制策略的低压穿越仿真验证

为了验证组合保护方案在电网电压发生跌落时的低压穿越控制效果，在Matlab/Simulink环境下搭建了1 MW 风电系统仿真模型中进行仿真，系统的主要仿真参数包括额定功率1 MW，额定风速8.8 m/s，直流侧电压指令值1200 V，直流侧电容值3.8 mF，并网电压690 V，并网频率50 Hz，空间矢量脉宽调制的开关频率均为5 kHz。系统运行在额定工况下，耗能电阻设置为1.6 Ω，直流侧母线电压额定值为1200 V，直流电压上限值为1250 V，网侧变流器电流的限幅为1.2 p.u.，设置电网电压对称跌落至0.4 p.u.，跌落开始时间为t=1 s，电压在t=1.5 s 时恢复正常，仿真总时间为2 s。网侧变流器根据电压跌落的深度来发出无功。组合控制策略下的低压穿越仿真结果如图8 所示。

由图8(b)、(c)可以看出，电网电压跌落期间，网侧电流、直流电压与单纯只采用撬棒电路且跌落50%时的电流、直流电压变化类似，因为二者的电压跌落引起网侧电流和直流电压增大，电流达到相同的电流限制值1.2 p.u.就不再变化了，直流电压上升到上限值1250 V 后也保持不变，撬棒电路投入，从而消除了直流电容上积累的多余能量，使直流电压维持在上限值不再增加；由图8(d) 可知，当电网电压跌落时，网侧有功功率下降到约为额定功率的50%，有功功率等于跌落后的电压与增大后的电流的乘积，即0.4 倍额定电压乘上1.2 倍额定电流，结果与仿真相符，在电网电压恢复正常的瞬间，有功功率会先出现一个突升之后立刻恢复到额定功率，这是由于之前增大的电流不能瞬时恢复，导致电流电压的乘积也就是有功功率骤然升高；从图8(e)看出，无功功率在电压跌落时输出增大，因为当电网电压跌落到0.4 p.u.时，处于0.2 p.u.～0.9 p.u.范围内，因此网侧变流器会从单位功率因数运行变为提供无功支撑的运行，电网电压跌落故障越严重，网侧变流器就会提供越多的无功功率，在电压故障期间，有助于电网电压的稳定，电网故障恢复后，无功电流又变成0，表明在网侧提供无功的控制策略作用下，网侧变流器可以实现单位功率因数模式和STATCOM 模式之间的相互切换，向电网发出无功功率，提高了风力发电系统的低电压穿越能力。

图8 组合控制策略下的低压穿越仿真

4 结束语

本文将永磁风电系统作为研究对象，分析了电压跌落情况下永磁直驱风力发电系统的动态响应特性，结果表明电网电压跌落故障会使网侧电流增大、使直流电压升高、使网侧有功功率下降，提出了改进的网侧变流器提供无功与撬棒电路的组合控制策略，使在电网电压发生较严重的跌落故障并且网侧电流也已经增大到限幅值的情况下，避免直流电压因机侧与网侧之间的不平衡功率而上升到超过电容和开关器件所能承受的最大电压，同时可按照国家电网的风电并网要求，让网侧变流器提供相应的无功电流以助于风电系统进行低电压穿越。在Simulink 中验证了该组合保护方案的有效性，满足永磁直驱风电系统低压穿越的要求。该方法与目前工程上使用的故障穿越方法相结合，具有一定的工业应用前景。