前言：本站為你精心整理了風(fēng)電體系變流調(diào)控策略范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢。

1引言

由于直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間通過(guò)背靠背（雙PWM）全功率變流器實(shí)現(xiàn)了隔離，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，如果采取相應(yīng)的措施，可使風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行基本不受電網(wǎng)故障的影響，從而使系統(tǒng)在故障消除后能迅速恢復(fù)正常工作，因此直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組在低電壓運(yùn)行能力上相對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有一定的優(yōu)越性[1-6]，因而獲得了海上風(fēng)場(chǎng)的青睞。

在直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制策略是，機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功、有功功率的解耦控制[1-5]，網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)輸出并網(wǎng)和直流側(cè)電壓控制。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在額定運(yùn)行情況下發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，變流器的電流將會(huì)增加，考慮到變流器熱容量有限，必須對(duì)變流器的電流進(jìn)行限制；這樣一來(lái)就會(huì)使得直流母線環(huán)輸入功率大于輸出功率，直流側(cè)電壓將會(huì)升高。當(dāng)電壓跌落幅度較大時(shí)，如果直流側(cè)不采取措施，就會(huì)損壞變流器和直流環(huán)電容[5-7]。

目前有許多文獻(xiàn)對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下的保護(hù)策略進(jìn)行了研究，比較適用的方法是在直流母線上接耗能電阻[2-4]。有時(shí)也通過(guò)在機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間設(shè)計(jì)一個(gè)交叉耦合控制器[8]，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障時(shí)，將故障信號(hào)傳遞到機(jī)側(cè)變流器，機(jī)側(cè)變流器開始對(duì)發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行控制以避免直流電容器內(nèi)部的功率剩余。

另外，由于驅(qū)動(dòng)鏈的扭矩特性，當(dāng)系統(tǒng)受到激勵(lì)，如風(fēng)速變化或端電壓變化時(shí)，變速風(fēng)輪的發(fā)電機(jī)速度容易出現(xiàn)振蕩[9,10]。由于直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能像傳統(tǒng)的方法那樣在同步發(fā)電機(jī)中安裝阻尼繞組去抑制速度振蕩，因此必須從功率變流器控制方面采取措施。目前國(guó)內(nèi)直驅(qū)風(fēng)機(jī)的控制策略中還未考慮這個(gè)問(wèn)題。

本文提出了一種新的控制策略，即機(jī)側(cè)變流器控制直流母線電壓Udc和發(fā)電機(jī)定子電壓Us，而用網(wǎng)側(cè)變流器控制流向電網(wǎng)的有功和無(wú)功功率[11]，并對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)功率變流器的控制和保護(hù)策略進(jìn)行研究；最后用仿真和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該控制策略的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2新型直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制策略

采用新型控制策略的直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)（DDPMSG）控制框圖如圖1所示，控制包括兩個(gè)大部分：槳距角控制系統(tǒng)和功率變換器控制系統(tǒng)。

2.1機(jī)側(cè)變流器控制策略

與傳統(tǒng)的控制策略一樣，機(jī)側(cè)變流器仍然采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制策略，即將轉(zhuǎn)子磁鏈方向定為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，則用定子電流直軸分量isd來(lái)控制定子電壓Us，通過(guò)定子電流的交軸分量isq來(lái)控制直流電壓Udc。設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈f，發(fā)電機(jī)定子的同步電感Lsd、Lsq恒定，得到永磁同步電機(jī)的電流方程式中，Rs為發(fā)電機(jī)定子繞組的相電阻；e為發(fā)電機(jī)的電氣角頻率；usd、usq分別為同步發(fā)電機(jī)的直軸電壓和交軸電壓；其中，空載電動(dòng)勢(shì)Es滿足關(guān)系Es=ef。永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制方程為機(jī)側(cè)變流器控制的框圖如圖2所示，其中直流母線電壓環(huán)的輸出作為交軸電流isq的給定量，而定子電壓環(huán)的輸出作為直軸電流isd的給定量，圖中et為轉(zhuǎn)子位置角。為了避免出現(xiàn)過(guò)電壓或變流器的飽和效果，定子電壓被控制在額定值內(nèi)。直流母線電壓也保持恒定，但是當(dāng)系統(tǒng)需要電氣阻尼時(shí)，可允許直流母線電壓在小的范圍內(nèi)變化，此時(shí)直流母線電壓被控制為由阻尼系統(tǒng)提供的參考值*dcU，這將在后面介紹。這個(gè)控制策略的缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率需求是變化的，這個(gè)變化的無(wú)功功率必須由功率變流器來(lái)傳遞，因此增加了功率變換器的額定容量。

2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

在新型控制策略中，網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)流向電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)解耦控制。在兩相同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系中，使d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量[1]，即電壓矢量落在d軸上，q軸分量為零，則有在dq軸坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)變流器相對(duì)于電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算公式為[12]式中，ugd、ugq分別為電網(wǎng)電壓的直軸和交軸分量，igd、igq分別為變流器電流的直軸和交軸分量。由式（4）可以看出，電網(wǎng)有功功率Pg可以通過(guò)變流器的直軸電流分量igd來(lái)控制，而無(wú)功功率Qg可以通過(guò)變流器的交軸電流分量igq來(lái)控制。網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中，L為網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的等效電感；R為等效電阻；為電網(wǎng)電壓的角頻率；ud、uq為變流器交流側(cè)輸出直、交軸電壓分量。網(wǎng)側(cè)變流器控制的框圖如圖3所示，其中，有功功率環(huán)的輸出作為直軸電流分量igd的給定量，無(wú)功功率環(huán)的輸出作為交軸電流igq的給定量。電網(wǎng)有功功率參考值*gP是由速度-功率最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）特性來(lái)決定的。運(yùn)行在單位功率因數(shù)時(shí)，無(wú)功功率參考值*gQ一般設(shè)為0。然而，當(dāng)電網(wǎng)電壓受到干擾偏離其額定值時(shí)功率變流器必須對(duì)電網(wǎng)電壓提供支持，無(wú)功功率參考值*gQ可以由一個(gè)抗積分飽和的PI控制器來(lái)提供。利用它可以將電網(wǎng)電壓控制到額定值內(nèi)。控制器的輸入是測(cè)量的實(shí)際電網(wǎng)電壓Ug和額定電網(wǎng)電壓*gQ之間的誤差信號(hào)。在該控制策略中，考慮到發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)在網(wǎng)側(cè)變流器中實(shí)現(xiàn)，因此，與傳統(tǒng)控制策略不同的是，此處發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不由風(fēng)力機(jī)的輸出功率決定，即轉(zhuǎn)速是給定量。通過(guò)給定風(fēng)力機(jī)或者發(fā)電機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速，使其輸出與之對(duì)應(yīng)的功率，再對(duì)該功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)能量的有效傳遞。需要指出的是，網(wǎng)側(cè)變流器采用的是電網(wǎng)電壓定向矢量控制，為了能使風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行，快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)電網(wǎng)電壓基波的正序分量大小和相位在變流器的控制策略設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，通常在網(wǎng)側(cè)變流器控制中采用鎖相環(huán)（PLL）來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的同步[13]，如圖3所示。

2.3電網(wǎng)故障下PMSG風(fēng)輪的保護(hù)策略

當(dāng)采用傳統(tǒng)的控制策略在故障發(fā)生時(shí)，機(jī)側(cè)可以不受影響地繼續(xù)將功率從風(fēng)輪傳遞到機(jī)側(cè)變流器，而網(wǎng)側(cè)變流器自動(dòng)地受到電網(wǎng)故障的影響，輸送到電網(wǎng)的功率減小。多余的能量給直流母線電容器充電，則直流母線電壓升高很快，同時(shí)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子加速，如果在控制上不采取措施就會(huì)增加變流器和直流環(huán)電容器損壞的危險(xiǎn)，甚至危及整個(gè)機(jī)組。因此采用傳統(tǒng)的控制策略時(shí)，電網(wǎng)故障期間需要對(duì)直流側(cè)采取措施來(lái)釋放或轉(zhuǎn)移多余的能量。采用如圖1所示的新型控制策略，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器直接受到電網(wǎng)故障的影響，向電網(wǎng)傳遞的功率小于正常運(yùn)行時(shí)的功率。同時(shí)機(jī)側(cè)變流器為了保持直流母線電壓恒定，開始控制電機(jī)定子電流來(lái)降低發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率和流向直流母線的功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器平衡了直流母線電壓，它就確保了將來(lái)自發(fā)電機(jī)端的功率傳輸?shù)搅穗娋W(wǎng)一端[14]。通過(guò)以上分析可知，在直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的控制策略時(shí)，功率不平衡出現(xiàn)在直流環(huán)節(jié)，當(dāng)采用新的控制策略后，功率不平衡轉(zhuǎn)移到了發(fā)電機(jī)側(cè)。電網(wǎng)故障期間不能通過(guò)變流器傳遞到電網(wǎng)的這部分功率可以儲(chǔ)存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)勢(shì)能內(nèi)，這將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的加速。當(dāng)發(fā)電機(jī)的速度增加到額定值后，發(fā)電機(jī)的加速可以通過(guò)槳距控制器來(lái)抵消。使用這種新的控制策略的同時(shí)，再結(jié)合直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的故障保護(hù)策略，即使用斬波器可以進(jìn)一步提高直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的故障保護(hù)能力。斬波器由一個(gè)卸荷電阻和一個(gè)電力電子開關(guān)組成，與直流環(huán)中的電容器并聯(lián)，如圖1所示。卸荷電阻的關(guān)斷是由電力電子開關(guān)來(lái)控制的，當(dāng)直流母線電壓上升到超過(guò)臨界值時(shí)就會(huì)觸發(fā)斬波器，結(jié)果，電容器放電，多余的能量將消耗在卸荷電阻中，直流母線電壓下降到低于臨界電壓時(shí)，斷開斬波器卸荷電阻。因此使得功率不平衡的問(wèn)題得到解決。為了驗(yàn)證新型控制策略在不對(duì)稱電網(wǎng)故障下的保護(hù)能力，運(yùn)用Matlab/Simulink工具箱中的Three-PhaseFault模塊對(duì)兩相短路故障進(jìn)行了仿真。假定在電網(wǎng)連接點(diǎn)（PCC）處發(fā)生了兩相短路故障，擬采用在直流環(huán)節(jié)增加斬波器來(lái)釋放多余能量的保護(hù)控制策略，設(shè)直流母線電壓的最大值Udc_max為1.1(pu)，耗能電阻R為1。圖4所示為發(fā)生兩相短路故障時(shí)網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流和直流母線電壓的仿真波形。從圖中可以看出，發(fā)生兩相短路故障時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)了不平衡跌落，但通過(guò)采用新型控制策略，故障持續(xù)時(shí)間100ms后（采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)故障持續(xù)時(shí)間大于200ms），直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定。結(jié)果表明采用新型控制策略后，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快了。同時(shí)，在直流側(cè)增加了斬波器和耗能回路，對(duì)電網(wǎng)故障引起的直流側(cè)瞬時(shí)過(guò)電壓進(jìn)行了控制，將直流側(cè)電壓控制在1.1(pu)范圍內(nèi)，并且在故障清除后快速恢復(fù)到了額定值。

2.4阻尼振蕩控制策略

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩之間的不平衡，會(huì)使風(fēng)輪機(jī)組速度出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。由于直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)不能像傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)那樣采用阻尼繞組，阻尼速度振蕩的方法可從電力系統(tǒng)中大容量同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）[15,16]中得到啟發(fā)。在直流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)輪中，可通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制直流母線電壓來(lái)阻尼速度振蕩。其設(shè)計(jì)思路是使用直流電路中的電容器作為發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的能量?jī)?chǔ)存器（緩沖器），通過(guò)周期性地對(duì)電容器短期充、放電，能量?jī)?chǔ)存在電容器中，負(fù)載電流發(fā)生變化，轉(zhuǎn)而影響轉(zhuǎn)矩，以致抵消速度振蕩和提供有效的阻尼。將這個(gè)阻尼方法應(yīng)用在多極PMSG風(fēng)輪時(shí)，需要進(jìn)行稍微的調(diào)整。因?yàn)镻MSG的磁場(chǎng)是固定的，在這種情況下，抑制速度振蕩不能通過(guò)控制電氣勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是可以通過(guò)控制功率變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即利用主動(dòng)阻尼模塊系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)參考信號(hào)，如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)需要電氣阻尼時(shí)，將直流母線電壓控制為由阻尼系統(tǒng)提供的參考值*dcU。圖5表示當(dāng)系統(tǒng)突然受到激勵(lì)使風(fēng)速變化1m/s時(shí)，阻尼系統(tǒng)對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)輪振蕩的阻尼效果。從圖中可以看出：沒有阻尼系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)速變化會(huì)激勵(lì)大的振蕩，發(fā)電機(jī)速度的振幅增加，結(jié)果使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。而使用阻尼系統(tǒng)后這些振蕩很快地被抑制了。因此，附加的阻尼系統(tǒng)可以增加直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3仿真與實(shí)驗(yàn)研究

為了對(duì)新型控制策略的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了仿真，并與傳統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了對(duì)比。系統(tǒng)主要參數(shù)為：變流器額定容量為2MW，限流幅值為1.5(pu)；直流母線電壓為1200V，電容C為25×470F；交流側(cè)正常電網(wǎng)相電壓幅值為400V。LCL濾波器參數(shù)為：變流器側(cè)電感L1為0.1mH，網(wǎng)側(cè)電感Lg為0.04mH，濾波電容為40F，阻尼電阻Rd為0.1。

圖6所示為采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)的仿真波形。由于本研究采用了電動(dòng)機(jī)慣例，因此發(fā)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率用負(fù)值表示。在傳統(tǒng)控制策略中，機(jī)側(cè)變流器控制的是功率，因此，系統(tǒng)剛開始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)的功率輸出與參考功率之間的巨大反差造成了PI調(diào)節(jié)器的飽和，使得電流輸出負(fù)的限幅值。當(dāng)實(shí)際功率接近參考功率時(shí)，功率回路的PI調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，輸出的電流值恢復(fù)正常。在傳統(tǒng)控制控策中，網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線電壓。直流母線電壓的穩(wěn)定時(shí)間大約為0.3s左右，穩(wěn)定前波動(dòng)較大，超調(diào)也較大，這和系統(tǒng)在起始時(shí)刻機(jī)側(cè)能量出現(xiàn)回流有關(guān)，在0.075s左右時(shí)刻，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，母線電壓超調(diào)量達(dá)到最大，穩(wěn)態(tài)后的母線電壓波動(dòng)較小，波動(dòng)范圍不超過(guò)10V。

圖7為新型控制策略的仿真波形，可以看出，發(fā)電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)矩、功率和定子電流不僅超調(diào)量較小，而且收斂速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，機(jī)側(cè)相電流的正弦性也特別好，機(jī)側(cè)的各個(gè)電氣量能快速跟隨直流母線電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但直流母線電壓穩(wěn)定后的波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍為15V左右，這是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起反電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)使得直流母線電壓穩(wěn)定性變差，而母線電壓的波動(dòng)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器以后引起了電流的波動(dòng)，繼而產(chǎn)生了反電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)。

為了便于比較，將采用兩種控制策略時(shí)控制系統(tǒng)中的多項(xiàng)參數(shù)列于下表中。結(jié)果表明采用新型控制策略可獲得良好的控制效果。為了用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)所用新型控制策略的可行性，建立了直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置中永磁同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：額定功率7.5kW，額定電壓380V，額定頻率50Hz，極對(duì)數(shù)為2，定子電阻2.655，定子漏感8.718mH，轉(zhuǎn)子磁鏈0.804Wb。

在傳統(tǒng)控制策略中，首先通過(guò)變壓器將輸出線電壓調(diào)至270V，啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器工作于整流狀態(tài)，用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速1500r/min，然后再并上機(jī)側(cè)變流器。網(wǎng)側(cè)線電壓和相電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示?？紤]到實(shí)驗(yàn)與仿真時(shí)一樣，也采用了單位功率因數(shù)的控制方式（下同）。在新型控制策略中，直流機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速1500r/min后，再啟動(dòng)機(jī)側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)，然后再并上網(wǎng)側(cè)變流器，并通過(guò)給定網(wǎng)側(cè)功率來(lái)調(diào)節(jié)并網(wǎng)輸入功率，得到線電壓和相電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，兩種控制策略下網(wǎng)側(cè)線電壓和相電流的波形相差并不大，但新型控制策略的并網(wǎng)相電流比傳統(tǒng)控制策略的大，故并網(wǎng)發(fā)電功率也相對(duì)要大些，效率也較傳統(tǒng)控制策略的高，這與仿真分析結(jié)果一致。

4結(jié)論

本文為直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)提出了一種新的變流控制策略，相比于傳統(tǒng)控制策略，新型控制策略可以增強(qiáng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的保護(hù)能力。而且，新型控制策略的收斂速度快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、機(jī)側(cè)的各個(gè)電氣量能快速跟隨直流母線電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程，網(wǎng)側(cè)相電流的波形也很好。雖然采用新型控制策略時(shí)母線電壓穩(wěn)定性變差，但通過(guò)使用斬波器后有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。因此新型控制策略為電網(wǎng)故障下直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的控制提供了一種最優(yōu)選擇。