1. 引言
隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和人們環(huán)保意識的逐漸增強，可再生能源發(fā)電得到了越來越大的關(guān)注和發(fā)展，其中尤以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最為突出[1,2]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用接入電網(wǎng)的方式發(fā)電。隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)機容量越來越大，其對電網(wǎng)的影響將不容忽略。這也促使電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)提出了越來越嚴(yán)格的要求，其中尤以低電壓穿越(LVRT)最為關(guān)鍵。通過對電網(wǎng)電壓跌落時風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)引發(fā)的大范圍電網(wǎng)停電事故的思考，我國也公布了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括了對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的要求。當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動引起并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，如圖2 所示，風(fēng)電機組/風(fēng)電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行[4]。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能和易于實現(xiàn)低電壓穿越，得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。電壓跌落期間,永磁直驅(qū)系統(tǒng)的主要問題在于網(wǎng)側(cè)變流器注入電網(wǎng)的功率和發(fā)電機發(fā)出的功率不匹配，從而導(dǎo)致直流電壓的上升[6]。為了抑制電網(wǎng)故障期間直流側(cè)電壓的上升，一種方法是在直流側(cè)環(huán)節(jié)加入制動電阻耗散或者采用儲能系統(tǒng)存儲多余的能量[7, 8].這種方法能夠在電網(wǎng)故障期間，維持網(wǎng)側(cè)和機側(cè)的功率平衡;在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，能夠使得系統(tǒng)迅速恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。文獻(xiàn)[8,9]提出了在故障期間改變機側(cè)相應(yīng)指令的控制策略，即當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障時，迅速增大轉(zhuǎn)速指令[8], 或者迅速減小發(fā)電機的功率指令[9]，從而減小機側(cè)流入直流側(cè)的功率，抑制直流側(cè)電壓上升。文獻(xiàn)[10,11,12]
提出了一種交錯控制結(jié)構(gòu)，即直流側(cè)電壓由機側(cè)變流器控制，而由網(wǎng)側(cè)逆變器實現(xiàn)風(fēng)能最大功率跟蹤。不同于傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，這種控制方式下機側(cè)變流器能夠在低電壓穿越期間主動地減少機側(cè)輸出的功率，穩(wěn)定直流側(cè)電壓。機側(cè)變流器穩(wěn)定直流側(cè)電壓的控制結(jié)構(gòu)，一方面能夠在電網(wǎng)電壓跌落時抑制直流側(cè)電壓的上升，提供較好的低電壓穿越性能;令一方面為網(wǎng)側(cè)變流器的控制提供了較大的自由性[13,14]。然而在這種控制結(jié)構(gòu)下，由于網(wǎng)側(cè)和機側(cè)變流器控制目標(biāo)的交錯，從而使得在系統(tǒng)的控制環(huán)路中引入了由中間直流側(cè)電容引起的大時間常數(shù)。
本文通過建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡化數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進(jìn)行了小信號分析，得出在電網(wǎng)電壓跌落和風(fēng)速波動時，直流側(cè)電壓會有較大波動。通過分析引起直流側(cè)電壓波動的原因，研究了在機側(cè)變流器控制中引入網(wǎng)側(cè)功率前饋對直流側(cè)電壓控制的改善作用。
2. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機械電磁系統(tǒng)，如圖3 所示，它主要包括風(fēng)機機械傳動鏈、永磁同步發(fā)電機和全功率變流器。本節(jié)給出了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個部分的簡化數(shù)學(xué)模型。
2.1 風(fēng)機機械傳輸鏈
當(dāng)研究并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時，風(fēng)機通常由以下代數(shù)表達(dá)式來描述，
2.2 永磁電機和機側(cè)變流器
通常機側(cè)變流器按照轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法控制永磁電機。機側(cè)變流器通過PWM 調(diào)制控制變流器端口電壓，控制流入永磁電機的電流，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此可以將永磁電機和機側(cè)變流器看成一個整體。
在交錯控制結(jié)構(gòu)下，電磁轉(zhuǎn)矩指令由直流側(cè)電壓控制器來給定，一般直流側(cè)電壓控制器為PI 控制器，因此
2.3 直流側(cè)
機側(cè)變流器控制永磁電機電磁轉(zhuǎn)矩，控制風(fēng)機從當(dāng)前風(fēng)速下捕獲一定的風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電磁功率流入到中間直流側(cè);再通過網(wǎng)側(cè)變流器將能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中。由直流側(cè)功率守恒，可以得到直流側(cè)電壓的動態(tài)方程為，
當(dāng)電網(wǎng)電壓不變時，網(wǎng)側(cè)變流器通過控制變流器端口電壓，控制注入電網(wǎng)的電流，從而向電網(wǎng)傳輸一定的有功功率和無功功率。同樣，也可以將網(wǎng)側(cè)變流器的電流環(huán)近似為一階小慣性環(huán)節(jié)，即
3. 小信號分析
設(shè)系統(tǒng)工作在某一個穩(wěn)態(tài)工作點附近， 并在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點附近對系統(tǒng)進(jìn)行小信號線性化。
3.2. 電網(wǎng)電壓跌落時
在正常工況下，網(wǎng)側(cè)功率跟隨功率指令，保持直流側(cè)功率平衡。但當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)注入到電網(wǎng)中的功率grid P 將會存在擾動;尤其在電壓跌落較深時，功率環(huán)輸出的電流指令飽和，注入電網(wǎng)的功率和功率指令有偏差，從而使得直流側(cè)功率不平衡。因此，這種情況下為維持直流側(cè)功率平衡，需要減小機側(cè)電磁功率。
文獻(xiàn)[10]提出的機側(cè)變流器控制直流側(cè)電壓的控制結(jié)構(gòu)中，機側(cè)變流器的q 軸電流指令是由直流側(cè)電壓PI 控制器給定的。由式(8)直流側(cè)電壓的動態(tài)方程可知，為保持直流側(cè)電壓恒定，PI 控制器調(diào)整機側(cè)的電磁功率等于網(wǎng)側(cè)輸出功率。式(8)中, Pgrid 反應(yīng)了網(wǎng)側(cè)功率的變化，可以看作是對直流側(cè)電壓的擾動。因此，在直流側(cè)電壓的控制環(huán)節(jié)中，加入Pgrid 的前饋項，可以使得機側(cè)電磁功率快速跟蹤網(wǎng)側(cè)輸出功率的變化，減少直流側(cè)電壓的波動。另外，由小信號分析可知，由于機側(cè)變流器控制直流側(cè)電壓，而網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，當(dāng)風(fēng)速波動或者電網(wǎng)電壓跌落使得網(wǎng)側(cè)輸出功率波動時，由于機側(cè)變流器輸出的電磁功率始終滯后于網(wǎng)側(cè)輸出功率，這會使得直流側(cè)電壓有波動。當(dāng)機側(cè)直流側(cè)電壓控制器只采用PI 控制器時，直流側(cè)電壓會有較大的波動。
在機側(cè)直流電壓控制器中加入網(wǎng)側(cè)功率前饋后，控制框圖如圖所示。機側(cè)變流器q 軸電流的指令是直流側(cè)電壓PI 控制器的輸出和網(wǎng)側(cè)功率前饋分量Pgrid/ω的和。q 軸電流環(huán)能夠快速跟蹤電流指令，控制電機的電磁功率。當(dāng)網(wǎng)側(cè)功率波動時，前饋分量Pgrid/ω 能夠快速反應(yīng)網(wǎng)側(cè)功率的變化，并調(diào)整電流指令，由于電流環(huán)響應(yīng)速度較快，從而能夠快速調(diào)整機側(cè)電磁功率，達(dá)到機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率平衡，抑制直流側(cè)電壓的波動。尤其在電網(wǎng)電壓跌落幅度較深時，網(wǎng)側(cè)輸出功率迅速較少，如果機側(cè)輸出功率不能較快的跟蹤網(wǎng)側(cè)功率的變化，這會使得直流側(cè)電壓上升，從而危及變流器功率器件的安全。
5. 仿真結(jié)果
為了驗證網(wǎng)側(cè)功率前饋對直流側(cè)電壓控制的改善作用，在PSCAD/EMTDC 下對2MW 的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。圖5 為風(fēng)速波動時采用網(wǎng)側(cè)功率前饋和不采用網(wǎng)側(cè)功率前饋兩種控制方法下，直流側(cè)電壓的響應(yīng)。如圖5(b)所示，當(dāng)風(fēng)速波動時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速也會有響應(yīng)的波動，由于網(wǎng)側(cè)輸出功率跟蹤最大風(fēng)能，Pgrid 也會隨風(fēng)速波動。由于機側(cè)直流電壓控制器采用，使得機側(cè)電磁功率Pe 不能快速跟蹤網(wǎng)側(cè)功率Pgrid 的變化，從而導(dǎo)致直流側(cè)電壓有較大的波動。圖5(a)為采用網(wǎng)側(cè)功率前饋控制方法的效果。雖然直流側(cè)電壓PI 控制器采用相同的控制參數(shù)，但是由于Pgrid 前饋項能夠快速反應(yīng)網(wǎng)側(cè)功率的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)機側(cè)電磁功率與網(wǎng)側(cè)功率平衡，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，且直流側(cè)電壓波動較小。圖6 所示為電網(wǎng)電壓跌落時采用網(wǎng)側(cè)功率前饋和不采用網(wǎng)側(cè)功率前饋兩種控制方法下，直流側(cè)電壓的響應(yīng)。在t=10s 時，電網(wǎng)電壓由1pu.跌落至額定電壓的20%，并持續(xù)1s，然后電網(wǎng)電壓恢復(fù)至額定值。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，由于網(wǎng)側(cè)變流器有功電流限幅，使得網(wǎng)側(cè)輸出功率下降，機側(cè)功率和網(wǎng)側(cè)功率之間的差值使得直流側(cè)電壓上升。由于直流側(cè)電壓由機側(cè)變流器控制，直流側(cè)電壓控制器會減小網(wǎng)側(cè)輸出的電磁功率。但當(dāng)直流側(cè)電壓控制只采用PI 控制器時，不能快速調(diào)整機側(cè)電磁功率，不能有效抑制直流側(cè)電壓的上升，如圖(a)所示。圖(b)為機側(cè)控制中加入網(wǎng)側(cè)功率前饋，低電壓穿越時直流側(cè)電壓的響應(yīng)。如圖所示，電磁功率Pe 能夠及時跟蹤網(wǎng)側(cè)功率Pgrid 的變化，直流側(cè)電壓上升得到了有效的抑制。
6. 結(jié)論
本文在機側(cè)變流器穩(wěn)定直流側(cè)電壓，網(wǎng)側(cè)變流器控制輸出功率的交錯控制結(jié)構(gòu)下，通過對系統(tǒng)簡化模型的小信號分析，分析了在風(fēng)速波動和電網(wǎng)電壓跌落時直流側(cè)電壓會存在波動。在分析的基礎(chǔ)上，本文提出了在機側(cè)直流電壓控制中引入網(wǎng)側(cè)功率前饋環(huán)節(jié)的控制方法。當(dāng)網(wǎng)側(cè)輸出功率因風(fēng)速波動或者電網(wǎng)電壓跌落而發(fā)生變化時，通過網(wǎng)側(cè)功率前饋的作用，機側(cè)圖6.電網(wǎng)電壓跌落時直流側(cè)電壓的響應(yīng)a) 采用網(wǎng)側(cè)功率前饋;(b) 不采用網(wǎng)側(cè)功率前饋變流器能較快的調(diào)整電磁功率，從而使得直流側(cè)環(huán)節(jié)功率平衡，抑制直流側(cè)電壓的波動或者上升。仿真結(jié)果驗證了網(wǎng)側(cè)功率前饋改善直流側(cè)電壓控制的有效性。