基于模块化多电平逆变器的风力发电单相并网系统研究
2023-11-09裴旭兵裴旭东
裴旭兵 裴旭东
（1.中广核新能源控股有限公司西北分公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）
0 引言
近年来，随着全球变暖和能源危机的进一步加剧，各个国家对光伏、风电等新能源发展愈加重视，其中风力发电是应用最为广泛的清洁能源之一。据权威机构预测，陆上风电场将在几年内达到峰值。考虑风力发电机组安装便捷、对区域环境影响小等因素，小型风力发电机组发展应用有望加速[1]。
传统的风力发电系统需要在风力发电机组与电网之间连接无源滤波器和变压器[2]，以消除开关器件纹波对电网的影响，而无源滤波器和变压器是影响风电场发电容量的关键因素。模块化多电平变换器（MMC）[3-4]作为一种无变压器、无滤波器的变换器备受关注，由于不需要配置无源滤波器，因此MMC可输出更高质量的电压波形。此外，由于MMC具有多级连接的逆变器，因此功率器件的开关应力较小。
本文研究了不同风速下多台小型风力发电机组成的单相并网模块化多电平变换器控制策略，所研究的风力发电系统由永磁同步发电机（PMSM）、二极管整流器、升压斩波器和MMC组成。风力发电机的输出功率通过MMC各子模块向电网输送功率，通过控制电网侧输出d、q电流实现单位功率因数控制，利用独立的桥单元控制器使每个桥单元电容器电压紧紧跟随参考电压变化。最后通过计算机仿真，验证了所提方法的有效性。仿真结果表明，基于MMC的风力发电系统可以控制不同风速下的发电功率。
1 单相并网MMC风力发电系统
图1所示为多台风力发电机组成的单相并网MMC电路架构，其中风力机叶尖速比控制由带二极管整流器的升压斩波器实现，使风力机的机械功率输出最大化，MMC控制各个子模块电容电压和功率流动。图2所示为对应MMC控制结构，在该并网发电系统中即使每台风力发电机都处于不同的发电状态，也可在控制各电容电压的同时向电网输送功率。设定本文研究对象为立轴型风力机，额定功率为1.16kW，额定转速为300r/min。
图1 多台风力发电机组成的单相并网MMC电路架构
图2 MMC及叶尖速比控制结构
1.1 叶尖速比控制
风力机的机械输出功率Pw可表示为：
式中：ρ为空气密度；A为风力机桨叶受风面积；Cp为功率系数；vw为风速。
Cp是叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数。当β为常数时，Cp是λ的函数。为了使输出机械功率最大化，需要将风力机桨叶控制在最优点，即Cp的最大值点。因此，λ表示为：
式中：r为风力机旋转半径；ω为转子的机械角速度。
本文采用升压斩波电路实现风力发电机的高效驱动，达到最大功率跟踪控制，也即最优叶尖速比运行。最优叶尖速比λ*具体为：
λ*和λ之间的误差通过PI控制器后，经载波调制用于控制斩波电路功率器件开合。
1.2 MMC控制
MMC控制器由功率平衡控制模块和单个子模块控制模块组成，MMC控制中使用的相位角θ由单相锁相环（PLL）电路产生。
1.2.1 功率平衡控制
图3为功率平衡控制模块结构，通过控制网侧输出电流在单相d-q坐标下的分量实现单位功率因数运行，各子模块电容电压平均值与直流参考电压之间的误差通过PI控制器输出后作为网侧有功电流参考值，无功电流参考值设为0，因此，可以实现输出至电网侧电压和电流同相位。有功电流和无功电流参考值表示为：
图3 功率平衡控制结构
式中：Kp1为控制增益；Ti1为积分时间常数；q*为电网侧无功功率参考值；vd为电网侧电压的d轴分量。
功率流动控制在d-q坐标下的d轴参考电压和q轴参考电压由下式求得：
式中：N为级联的子模块数量，本文N设定为3；Kp为控制增益；Ti为积分时间常数；isd、isq分别为网侧有功电流和无功电流。
1.2.2 MMC子模块控制
图4为单个子模块控制模块结构，风力机所处风速环境不同，对应发电机产生的功率也不同。各子模块单元的有功参考电流由每个风力发电机输出功率计算得到，有功电流由所有风力发电机的输出功率和每个风力发电机的输出功率Pn计算得到。每个子模块单元d轴参考电压由式（6）得到：
图4 MMC子模块控制结构
式中：n为子模块，本文研究中n=1，2，3。
由于每个风机产生的功率不同，为确保系统运行稳定，必须保持每个子模块电容电压平衡。直流参考电压与每个子模块电容电压平均值之间的误差经过PI控制器放大后乘以-cos θ得到每个子模块电容控制电压，具体为：
式中：Kp2为控制增益；Ti2为积分时间常数。
子模块开关器件参考控制电压由与求和计算得到。各子模块单元的开关脉冲由相移载波脉宽调制（PSCPWM）产生。
2 仿真试验
为验证单相并网MMC控制的有效性进行了仿真试验，仿真系统参数如下：电网电压有效值vs=210 V，网侧电感Lac=3.6 mH，Ls=155 μH，直流电容Cn=4.7 mF，升压斩波电路电容CBn=20 μF，电感Ln=1 mH，功率器件开关频率为20 kHz，PWM载波频率为4 kHz，MMC功率器件开关频率为24 kHz。
首先研究不同风速下的MMC控制效果，图5为3个不同风速的风电场并网MMC稳态试验波形，对应风速分别为2.5、7、14 m/s。vT为电网侧接收端电压，is为网侧电流，vc1、vc2、vc3为每个子模块单元的电容电压，vcs1、vcs2、vcs3为每个子模块输出电压，vcs为MMC整体输出电压。从图中可以看出，每个子模块电容电压控制在参考电压300 V左右，子模块电容的纹波电压控制在0.5%以内。网侧电流有效值为4.04 A，输出功率因数为0.98。仿真结果表明，通过叶尖速比控制，各风力发电机组的叶尖速比λ与最优叶尖速比λ*一致，说明各个风机均保持最大功率运行。
图5 MMC稳态试验波形
其次研究风速变化情况下的MMC控制效果，图6为风速波动时MMC控制动态试验波形。设定3个风机风速相同，且在0～10 s期间，3个风力机所处风速均为0，从10 s到12 s时刻，风速从0 m/s上升到14 m/s。由图6可知，风速波动情况下λ紧紧跟随λ*变化，说明在这个过程中风力机始终处于高效率运行状态。当所有风力发电机停止时，网侧电流输出为0 A，每个子模块电容电压控制为300 V。风速发生变化稳定至14 m/s运行后，子模块电容的纹波电压控制在0.5%以内。试验结果表明，本文提出的基于MMC的单相并网风力发电系统在风速波动下能够很好地控制各子模块的功率稳定和电容电压平衡。
图6 MMC动态试验波形
3 结论
本文研究了基于MMC的多台风力发电机组单相并网风力发电系统在不同风速和风速波动条件下的运行情况，功率因数通过基于单相d-q坐标的有功和无功电流控制来保持。仿真结果表明，在不同风速下多台风力发电机组组成的风力发电系统可以在保持各电容电压平衡控制的同时，以统一的功率因数控制系统功率潮流分布；当风速波动时，MMC的子模块电容电压稳定控制在8%以内。因此，本文提出的基于MMC的风力发电系统具有实用性和可推广性。
