申 娟1,周 實2,張靜月1
?。?.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院,上海 200051;2.上海電氣集團股份有限公司中央研究院,上海200070)
摘 要: 針對風電并網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生的電網(wǎng)電壓跌落故障,提出系統(tǒng)須具備繼續(xù)運行平穩(wěn)穿越能力的觀點。首先給出了網(wǎng)側(cè)逆變控制器中的功率拓撲結(jié)構(gòu)及其電壓電流的數(shù)學模型,為了設計方便選用了電流內(nèi)環(huán)的前饋解耦控制,接著詳細闡述了直流穩(wěn)壓和向電網(wǎng)提供無功補償?shù)目刂萍夹g,最后利用MATLAB仿真軟件對提出的控制方法進行仿真實驗分析,結(jié)果表明該方法穩(wěn)定可靠。
關鍵詞: 風電系統(tǒng);并網(wǎng)控制器;低壓穿越;無功補償控制
0 引言
隨著社會的高速發(fā)展,能源問題已然成為關系著人類生存和發(fā)展的重要問題,因此尋求綠色新能源的意識也日益增強。在眾多綠色能源中,對風能的開發(fā)利用,日益成為國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃中的重點之一,因此風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)必將推動社會跨入一個新領域新階段[1]。并網(wǎng)逆變控制器作為風電系統(tǒng)的技術核心部件,擔負著向電網(wǎng)不間斷地輸送高質(zhì)量電能的重任。如今電網(wǎng)電壓跌落故障頻繁發(fā)生影響著整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,而并網(wǎng)控制器具備實時檢測故障,并能快速采取保護措施,是風電系統(tǒng)繼續(xù)運行并平穩(wěn)過度的最為關鍵技術之一[2]?;诖耍疚囊燥L力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變控制器為研究對象,對控制器的拓撲結(jié)構(gòu)以及在故障發(fā)生時控制器所采取的低電壓穿越控制策略,進行了深入的分析和研究。
1 網(wǎng)側(cè)控制器在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型
本文主要針對電網(wǎng)電壓對稱跌落故障方面的研究。為了更好地分析并網(wǎng)控制器的控制技術,現(xiàn)將電路的功率結(jié)構(gòu)簡化為圖1所示,udc為控制器前端的直流電壓源,ia、ib、ic為A、B、C三相并網(wǎng)電流,Ra、Rb、Rc為控制器和電網(wǎng)之間的壓降電阻,La、Lb、Lc為三相并網(wǎng)電流的濾波電感,ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓[3]。
設圖中控制器中軸a、b、c三點的電壓值分別為va、vb、vc,La=Lb=Lc=L,Ra=Rb=Rc=R,則存在以下關系:
假設p為微分算子,將式(1)轉(zhuǎn)換成矩陣等式,即:
由于控制器中三相交流電流研究起來相對繁瑣,本文將其從abc三相靜止坐標系中轉(zhuǎn)換到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中[4],這樣交流量就變?yōu)橹绷髁?,便于分析。現(xiàn)建立坐標系[5],如圖2所示,在三相靜止坐標系中,abc三軸逆時針順序分布在一個平面內(nèi),兩兩相差120°;兩相靜止坐標系中,軸與三相靜止坐標系中的a軸方向一致,兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中,dq兩軸垂直分布,分別代表控制器向電網(wǎng)輸送的無功和有功分量,其中q軸與a軸相差角度,兩軸旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)電壓角速度相同,。
假設一個通用矢量X,在以上所述的坐標系中可分別代表不同的分量,如在靜止坐標系中可將分量表示為Xa、Xb、Xc和X?琢、X?茁,在旋轉(zhuǎn)坐標系中,同樣可將分量表示為Xd、Xq、Xo(零軸分量)。在此采用等幅值變換方法后,得到分量在abc坐標系與dq坐標系之間的關系:
式中,
l
則分量在兩坐標系中的轉(zhuǎn)化關系可表示如下:
將式(2)中等式兩側(cè)所有分項同時乘以R3s/2r,可得到下列式子:
根據(jù)微分知識:p(y1,y2)=p(y1)y2+p(y2)y1,將式(6)中等號左側(cè)的微分項分解如下:
將式(7)等號右端第一個微分項化簡:
將式(7)、式(8)代入式(6)得出并網(wǎng)逆變器電流電壓在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型:
2 并網(wǎng)控制器電流內(nèi)環(huán)前饋解耦分析
將式(10)矩陣等式展開如下:
從上式中很明顯可以看出,dq兩軸分量為耦合關系,不便于對控制器輸出電流的控制設計。通過研究,本文采用PI調(diào)節(jié)前饋解耦的控制方法來消除它們的耦合[6],通過邏輯分析整理,可用如下計算公式來表示:
3 并網(wǎng)控制器低壓穿越控制系統(tǒng)
在并網(wǎng)過程中,電網(wǎng)電壓跌落故障往往會影響風電機組的正常工作。當故障發(fā)生時,控制器向電網(wǎng)輸送的電能驟然下降,但此刻風機向控制器輸送的電能基本不變,致使控制器的電能輸出輸入失去平衡,多出的電能積壓在控制器前端的穩(wěn)壓電容上,使直流源電壓值不可控地飆升,另外,系統(tǒng)會以加大輸出并網(wǎng)電流為代價,來促使控制器電能輸出與輸入趨于平衡。因此故障將給系統(tǒng)帶來不可預測的種種后果:系統(tǒng)輸出電流變大并超出最大值,勢必會加大功率器件被擊穿的可能性,控制器被損壞,甚至會危及風電機組系統(tǒng)的安全運行。綜上所述,為了保證風電系統(tǒng)能繼續(xù)并網(wǎng)運行度過故障,就必須采取適當?shù)目刂萍夹g來加速電網(wǎng)電壓的恢復,同時在直流源電壓值基本不變的基礎上,逆變器能夠最大限度向電網(wǎng)輸送電能[7]。
本文針對以上提出的要求,決定對直流源采取電壓閉環(huán)控制方法。為加快電網(wǎng)電壓的快速恢復,本文采取對電網(wǎng)補償無功功率的策略,同時為保障電能的輸送率,對有功功率進行閉環(huán)控制。為了方便詳細闡述,本文構(gòu)建了并網(wǎng)控制器的控制系統(tǒng)框圖,如圖3所示,首先是直流源的控制,本文將期望電壓值600 V與實際值實時比較,其比較結(jié)果經(jīng)PI運算控制、PWM調(diào)制,輸出的控制信號用來控制整流器中的功率器件的開關時間,達到穩(wěn)壓輸出目的。網(wǎng)側(cè)控制器無功補償策略,是將電網(wǎng)電壓正常值與實際大小實時對比后經(jīng)PI運算調(diào)節(jié),無功電流給定值i設為控制結(jié)果,即根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度來改變i大小[8,9],繼而改變系統(tǒng)向電網(wǎng)提供的無功功率的大小。該策略實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓直接檢測,有利于控制的精準和反應靈敏度。而對有功功率的控制,是將功率的給定值與實際值比較、PI控制,其調(diào)節(jié)結(jié)果作為并網(wǎng)有功電流的給定值i,實現(xiàn)有功輸出的閉環(huán)控制。與此同時,為了實現(xiàn)電流前饋解耦,控制系統(tǒng)還設置了電流內(nèi)環(huán),首先通過PLL鎖相技術,讀出電網(wǎng)電壓實時的相位角以及角速度?棕,然后根據(jù)式(12)的邏輯方法搭建內(nèi)環(huán),通過運算得到分量vd和vq,最后對這兩個量進行坐標反變換以及SVPWM調(diào)制后得到控制器所需要的控制信號。
當電網(wǎng)電壓ea、eb、ec正常時,i被調(diào)節(jié)為0,無功功率為0,系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送最大有功功率,正常運行;當電網(wǎng)電壓ea、eb、ec跌落故障發(fā)生時,系統(tǒng)運行在無功補償模式。
4 系統(tǒng)仿真驗證
對于上述提出的低電壓穿越控制策略,本文需要進一步驗證,首先用MATLAB/Simulink軟件構(gòu)建了并網(wǎng)控制器仿真模型,如圖4所示。具體參數(shù)設置為:控制器總功率為2 kW;控制器前端直流源為600 V,對其調(diào)節(jié)的PI控制因數(shù):Kp為3,KI為26;穩(wěn)壓電容容值為2 500 μF;并網(wǎng)電流濾波電感L為2.5 mH;有功電流環(huán)PI控制因數(shù):Kp為6,KI為28;無功電流環(huán)PI控制因數(shù):Kp為3,KI為26;系統(tǒng)仿真時間為0.45 s,電網(wǎng)電壓跌落在0.10 s觸發(fā), 0.30 s關閉。
對故障發(fā)生前后,本文分別對電網(wǎng)電壓、直流電壓源、并網(wǎng)電流、以及有功和無功功率的仿真波形進行了分析。如圖5~圖9所示,在0~0.10 s內(nèi),直流源電壓值保持在600 V,并網(wǎng)電流緊跟電網(wǎng)電壓,兩者同頻同相,有功功率為2 kW,無功功率幾乎為0,系統(tǒng)正常運行。在0.10 s處,電網(wǎng)電壓大小如圖5所示降至正常值的70%左右,即電網(wǎng)電壓跌落故障發(fā)生,直流電壓大小如圖6波動至700 V后又迅速降至原來的600 V不變;有功功率如圖7所示,由原來的2 kW突然降至1.6 kW左右后,又快速穩(wěn)定在1.75 kW不變;無功功率如圖8所示飆升至1.5 kW不變;并網(wǎng)電流如圖9所示與電網(wǎng)電壓有了一定的相位差。此時,系統(tǒng)工作在無功補償模式。在0.30 s處,從圖中可以看出電網(wǎng)電壓迅速恢復至正常值,故障消除;直流源電壓雖然有一些小的波動,但又迅速調(diào)節(jié)至600 V穩(wěn)定不變;有功功率此刻瞬間變大并超過2 kW,但在0.35 s處又快速恢復至原來的2 kW穩(wěn)定不變;而無功功率迅速被系統(tǒng)調(diào)節(jié)至很小的值,幾乎為0;并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓此刻又恢復同頻同相的狀態(tài),系統(tǒng)正常運行。
通過以上對系統(tǒng)關鍵部位的仿真分析,電網(wǎng)電壓跌落故障發(fā)生期間,對直流母線電壓大小幾乎沒有影響,有功功率輸出能夠閉環(huán)控制,控制器能夠繼續(xù)并網(wǎng)工作,故障消除后系統(tǒng)運行狀態(tài)能夠快速恢復正常。
5 結(jié)論
針對電網(wǎng)電壓跌落故障,通過對系統(tǒng)控制器功率結(jié)構(gòu)的研究,本文提出了風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制方案,并應用仿真軟件MATLAB/Simulink搭建完整的控制模型,仿真結(jié)果表明本文提出的控制方案安全可靠,能夠使風電系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越的功能,從而驗證了本文所提出的控制技術的可行性,對于下一步的實物設計有一定的參考意義。
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