不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制

2010 年 7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 7 第 25 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010 不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统 直流母线电压稳定控制 肖 磊 黄守道 黄科元 叶 盛 （湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082） 摘要 了三相不平衡电网电压下直驱永磁同步风力发电机组直流母线电压波动的机理， 研究了其稳定控制策略，以提高其在电网不对称故障下的低电压穿越能力。通过将不对称电压与 电流进行对称分量法分解，提出了一种在正负序同步坐标变换下电网正负序电压分别定向的矢量 控制策略，来消除功率传输中的波动分量，以实现在电网发生不对称故障时稳定直流母线电压， 并结合能量泄放回路来完成风电机组在电网发生不对称故障下的不脱网运行。仿真结果表明，所 提控制策略能够有效地抑制在电网不对称故障条件下直流母线电压波动，能量泄放回路能够有效 地控制故障发生时引起的直流母线过电压，实验结果证明了所提控制策略的有效性。 关键词：风力发电 直驱式 电压定向 不对称故障 故障穿越 中图分类号：TM614; TM713 DC Voltage Stability of Directly-Driven Wind Turbine With PM Synchronous Generator During the Asymmetrical Faults Xiao Lei Huang Shoudao Huang Keyuan Ye Sheng （Hunan University Changsha 410082 China） Abstract This paper analyzes fluctuation mechanism on DC voltage of directly-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator under asymmetrical faults and studies stability control strategy in order to improve the capability of faults when asymmetry faults took place. Based on the method of symmetrical components for voltage and current, a vector-oriented control strategy which oriented on positive and negative voltage respectively is proposed to elimilate the fluctuation in power tranmission and to stabilize the DC voltage under asymmetrical faults, and then a energy consumption crowbar is used to consump the excrescent active power for the wind turbine un-off-line operation on grid faults.The simulation results show that the strategy is effective on inhibiting the DC voltage fluctuation,and the energy consumption crowbar could prohibit the over-voltage successfully in the asymmetrical faults. The experimental results prove the validity of the control strategy. Keywords：Wind power, directly-driven, voltage-oriented, asymmetrical faults, fault ride through 1 引言 直驱永磁同步风力发电机组（Directly Driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous Generator，D-PMSG）由于具有结构简单、维护成 本低、转换效率高、可靠性高等优点，在风力发电 市场中得到较快的发展[1]。D-PMSG 系统中直流母 线是实现能量传输与转换的中间环节，母线电压的 稳定与否直接关系着整个风电系统的稳定与安全。 在电网正常运行情况下，D-PMSG 变流器通常 教育部高等学校博士学科点专项科研基金（200805321038）和国家 自然科学基金青年科学基金（50907020）资助项目。 收稿日期 2009-06-11 改稿日期 2009-12-04 124 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 运用电压电流双闭环控制来稳定变流器直流母线电 压 [2]。当电网发生三相对称电压跌落时，由于变流 器采取限流保护，变流器的功率传输容量会降低， 造成机侧变流器的输出与网侧变流器输出不平衡， 从而导致直流电压上升，危及电力电子器件的安 全 [3]。研究表明，以上情况可以通过在直流侧增加 耗能保护电路[5-6]、储能保护电路或增加辅助网侧变 流器[6-7]来有效地控制直流侧电压，使 D-PMSG 稳 定运行。然而在实际运行中，电网发生的多为不对 称故障，如单相接地故障、两相接地故障与两相短 路故障等，这些故障发生时往往会引起电网电压不 平衡。当不对称故障发生时，如果继续采用传统基 于三相平衡电压时的控制策略，直流母线电压将大 幅波动，影响风电系统工作的稳定，严重时会造成 变流器的损害甚至“飞车”事故 [8]。有文献通过网 侧逆变器交流侧加装带通滤波器以滤除电网电压中 的负序分量，使在逆变器交流侧只有正序电压，来 实现 D-PMSG 的正常运行，取得了较好的效果[9]。 然而这种方法需要使用额外的滤波器件，增加了风 电场建设成本。 针对以上问，本文分析了三相不平衡电网电 压下 D-PMSG 直流母线电压波动的机理，在此基础 上提出了一种在正负序同步坐标变换下电网正负序 电压分别定向的矢量控制策略（PN-VOC），以实现 在电网发生不对称故障时稳定直流母线电压，并结 合能量泄放回路实现 D-PMSG 在电网发生不对称故 障下的不脱网运行。 2 电网电压不平衡时直流侧母线电压波 动机理 当 D-PMSG 在非故障电网情况下正常运行时， 其直流侧电容上的电压总是稳定在一定的水平，略 有波纹。然而如果电网发生不对称故障，就会引起 电网三相电压不平衡，此时如果 D-PMSG 继续运行 于传统控制策略，直流母线电压将会以 2 倍工频大 幅波动，威胁 D-PMSG 的运行安全。本节将对这一 波动产生的原因进行深入分析。 D-PMSG 常采用三相无中线并网，在这种情形 下，不平衡电压 (Ua Ub Uc)T 与不平衡电流 (ia ib ic)T 可运用对称分量法分别分解成正序分量 (UaP UbP UcP)T、(iaP ibP icP)T 与负序分量(UaN UbN UcN)T、(iaN ibN icN)T，而没有零序分量。将电压与电流的正负序分 量按幅值不变原则转换至两相静止坐标系即可表示 为[10-11] P N P j N j dq dq P P N N P N P j N j dq dq P P N N e e j j e e j j t t t t = U + U U U = I + I I I ω ω ω ω − α β α β − α β α β ⎧ + = +⎪⎪ = + +⎪⎨ + = +⎪⎪ = + +⎪⎩ 　 　 U U U U U I I I I I （1） 式中， P P PjU Uα β= +U ； N N NjU Uα β= +U ； P P PjI Iα β= +I ； N N NjI Iα β= +I 分别为两相静止坐标系中电压与电流 矢量。ω为电网电压角频率，逆时针旋转为正。 P P P dq d qjU U= +U ； N N Ndq d qjU U= +U ； P P Pdq d qjI I= +I 与 N N N dq d qjI I= +I 则分别为正负序同步旋转坐标系中电 压与电流矢量。 在三相不平衡情况下，网侧变流器输出复功率 可表示为 3 j 2 S P Q= = +UI P j N j P j N j dq dq dq dq 3 ( e e )( e e ) 2 t t t tω ω ω ω− − = + +U U I I （2） 将上式写成代数形式并分解成有功与无功分 量[10-11]则有 0 1 2 0 1 2 cos(2 ) sin(2 ) cos(2 ) sin(2 ) P P P t P t Q Q Q t Q t ω ω ω ω = + +⎧⎨ = + +⎩ （3） 而在 D-PMSG 中永磁发电机由风力机直接驱 动，经背靠背双 PWM 变流器并入电网。功率流向 图如图 1 所示。图中 Pdc1 为机侧输出功率，Pdc2 为 直流侧向网侧变流器输出功率。 图 1 D-PMSG 功率流向图 Fig.1 The chart of D-PMSG power flowing 由图 1，并依据电工理论可得到 2 c dc 1 d 2 d P C U t = （4） c dc1 dc2P P P= − （5） 2 dc dc1 0 1 2 1 d [ cos(2 ) sin(2 )] 2 d C U P P P t P t t ω ω= − + + （6） 由式（6）可知假定在稳态情况下 Pdc1 保持不变， 则变流器输出功率中的二次谐波量将会使 D-PMSG 第 25 卷第 7 期 肖 磊等 不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制 125 直流母线电压以 2 倍工频振荡，继而影响机侧变流 器控制，破坏整个系统的稳定。因此，要使 D-PMSG 在电网电压发生不对称跌落时保持在线连接，必须 消除功率传输中的正弦与余弦量，维持直流母线电 压稳定。 3 电网正负序电压分别定向矢量控制策略 由图 2 可得到 D-PMSG 网侧 PWM 变流器在三 相静止坐标系下的电压方程为 g g g d d i i i i i U E Ri L t = − − i=a，b，c （7） 图 2 网侧变流器等效电路图 Fig.2 Equivalent circuit of grid-side converter 在不平衡电压下，将电压与电流矢量运用对称 分量法进行分解，并转换至正负序同步旋转坐标系 下，可得到 D-PMSG 网侧 PWM 变流器基于正序与 负序同步旋转坐标系电压方程为 P gdP P P P d gd gd gd P gqP P P P q gq gq gq d j d d j d i U E Ri L Li t i U E Ri L Li t ω ω ⎧⎪ = − − +⎪⎨⎪ = − − −⎪⎩ （8） N gdN N N N d gd gd gd N gqN N N N q gq gq gq d j d d j d i U E Ri L Li t i U E Ri L Li t ω ω ⎧⎪ = − − −⎪⎨⎪ = − − +⎪⎩ （9） 由电压方程可知，通过在正序网络与负序网络 下分别对电流进行调节，再由式（1）合成所需的电 压矢量，可以达到控制目标。 在三相平衡电压情况下，运用电网电压定向控 制策略，具有输出电压波形良好，动态及静态性能 良好的优点。而在不平衡电压情况下，经过对称分 量法分解，不平衡电压被分解成正序与负序两部分 平衡电压。本文将电网电压定向控制策略引入正负 序网络，在正序网络中将正序同步旋转坐标系 dP 轴 定向于正序电压矢量方向，在负序网络中将负序同 步旋转坐标系 dN 轴定向于负序电压矢量的方向。因 此，电网电压矢量在正负序同步旋转坐标系下 dP-qP 与 dN-qN 轴分量为 P Pgd m P gq 0 E U E ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ N Ngd m N gq 0 E U E ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ （10） 正序与负序电流内环控制电压给定分别表示为 P* P* P P Pi gd p gd gd gd m P* P* P Pi gq p gq gq gq ( ) j ( ) j KU K i i Li U s KU K i i Li s ω ω ⎧ ⎛ ⎞ = − + − + +⎪ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎨ ⎛ ⎞⎪ = − + − −⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩ （11） N* N* N N Ni gd p gd gd gd m N* N* N Ni gq p gq gq gq ( ) j ( ) j KU K i i Li U s KU K i i Li s ω ω ⎧ ⎛ ⎞ = − + − − +⎪ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎨ ⎛ ⎞⎪ = − + − +⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩ （12） 同时，从式（6）可知在不平衡电压下要维持直 流母线电压稳定，需消除功率传输中二次谐波的量。 式（3）中各功率分量幅值可表示为[10-11] P P P P N N N N 0 d d q q d d q q P N P N N P N P 1 d d q q d d q q N P N P P N P N 2 q d d q q d d q 3 ( ) 2 3 ( ) 2 3 ( ) 2 P U I U I U I U I P U I U I U I U I P U I U I U I U I ⎧ = + + +⎪⎪⎪ = + + +⎨⎪⎪ = − − +⎪⎩ （13） P P P P N N N N 0 q d d q q d d q P N P N N P N P 1 q d d q q d d q P N P N N P N P 2 d d q q d d q q 3 ( ) 2 3 ( ) 2 3 ( ) 2 Q U I U I U I U I Q U I U I U I U I Q U I U I U I U I ⎧ = − + −⎪⎪⎪ = − + −⎨⎪⎪ = + − −⎪⎩ （14） 将式（10）代入式（13）与式（14），并且令 P1 与 P2 两项二次谐波功率幅值为 0，进行矩阵运算 可得到在消除二次谐波功率分量条件下，网侧变流 器的功率输出与电流给定的关系。 P* Pgd m 0 P* P gq m NN* mgd NN* 0mgq 0 0 0 00 0 02 03 0 0 0 0 0 0 i U P i U D Ui QUi ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟− ⎜ ⎟⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ （15） 式中， P 2 N 2m m( ) ( )D U U= − ， PmU 与 NmU 分别为正负序 电压幅值。由式（15）可见，由于采用正序与负序 电压分别定向控制策略，不平衡电压功率方程中的 P0、P1cosωt 与 P2sinωt 三部分消除了耦合，根据式 （15）输出电流，就可以消除有功功率中的二次谐 126 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 波量，稳定直流侧的电压波动，同时由变流器两侧 功率平衡方程可得到 *i dc2 dc p dc dc 0( ) KP U K U U P s ⎛ ⎞ = + − =⎜ ⎟⎝ ⎠ （16） 式（16）为 PN-VOC 控制策略功率外环控制方 程。综合式（11）、式（12）、式（15）与式（16） 可得到 PN-VOC 控制策略框图如图 3 所示。 图 3 电网正负序电压分别定向矢量控制框图 Fig.3 The control diagram of PN-VOC 运用 PN-VOC 控制策略，在电网发生不平衡故 障时，通过输出具有一定关系的正负序电流，消除 能量传输中的波动量，来维持直流侧母线电压稳定， 同时，通过发出无功给定值 *0Q 能够调节 D-PMSG 输出功率因数，给电网提供无功支持。 4 直流侧增加能量泄放回路 在不对称电网故障情况下，如两相短路与两相 接地故障，往往会引起正序电压幅值的跌落，从而 带来与三相对称故障情况下同样的问题，而由于变 流器采取了限流保护，这样就会造成机侧变流器的 输出与网侧变流器输出不平衡，如果不能有效地控 制这种不平衡，则会引起直流侧母线上的过电压， 进而影响系统稳定。本文借用三相对称故障中的能 量平衡方法，在变流器直流侧增加能量泄放回路， 通过滞环控制使直流侧母线电压偏高时泄放能量， 来消除直流母线过电压。增加能量泄放回路网侧变 流器主电路结构图如图 4 所示。 泄放回路由泄放电阻 R 和可控开关器件 IGBT 组成。Udc_max 和 Udc 分别为直流侧电压给定值及直 流侧电压实际值，两者之差 Udc_max−Udc 送到滞环比 较器输入端，输出用于驱动 IGBT。当 Udc≤Udc_max 时，IGBT 关断，逆变器稳定运行；当 Udc＞Udc_max 时，IGBT 开通，直流侧电容通过能量泄放电阻 R 泄放能量，过电压得以消除。 图 4 增加能量泄放回路网侧变流器主电路结构图 Fig.4 The grid-side converter topology with the energy consumption crowbar 对于能量泄放回路来说，泄放电阻的大小代表 着 D-PMSG 所能承受的跌落故障的能力。因此在参 数时，要考虑到电网可能发生故障的程度，同 时由于能量是在泄放电阻上通过热能消耗，所以泄 放回路的散热也是必须考虑的问题。 5 仿真研究 本文运用 Matlab/Simulink 工具箱，对比分析在 电网发生不对称故障时采用传统控制算法与上文所 述控制策略及能量泄放方案下直驱永磁同步风力发 第 25 卷第 7 期 肖 磊等 不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制 127 电机组的不脱网运行情况，并建立仿真模型。模型 的额定功率为 2MW，网侧变流器仿真模型和实验系 统主要参数见表 1 和表 2。发生故障前系统运行于 0.9（pu）额定功率下，最大电流限幅于 1.2（pu）。 表 1 D-PMSG 仿真模型主要参数 Tab.1 The parameters of D-PMSG simulation system 参 数 数 值 额定功率/MW 2 网侧电压/V 690 直流母线电压/V 1200 直流侧滤波电容/µF 10 000 LCL 滤波器机侧电感/µH 97 LCL 滤波器网侧电感/µH 54 LCL 滤波器滤波电容/µF 125 泄放电阻/Ω 0.5 表 2 实验系统主要参数 Tab.2 The parameters of the experiment system 参 数 数 值 额定功率/W 2500 网侧正常电压/V 250 直流母线电压/V 500 直流侧滤波电容/µF 2000 LCL 滤波器机侧电感/mH 1.2 LCL 滤波器网侧电感/mH 0.7 LCL 滤波器滤波电容/µF 10 开关频率/kHz 5 图 5a 为当网侧电压发生单相跌落故障时采用 传统控制算法时的仿真波形，从图中可以看出在 0.3s 发生单相跌落故障后电流明显增大，但由于变 流器尚有余量，能量泄放回路并未启动，直流母线 电压运行于 1（pu），但呈明显的 2 倍工频振荡，有 功电流亦呈 2 倍工频振荡，网侧电流含有负序分量。 而与之相对比的为采用 PN-VOC 控制策略的波形如 图 5b 所示，亦为网侧电压发生单相跌落故障时的仿 真波形。从图 5b 中可以看出，采用 PN-VOC 控制 策略，变流器所能通过有功电流较小，启动了能量 泄放回路，母线电压被限制在 1.1（pu）处，直流母 线上的 2 倍工频振荡被成功抑制，保证了整个系统 的稳定运行。 图 5c 为当电网电压发生两相跌落故障时采用 传统控制算法时仿真波形，从图中可见在 0.3s 发生 两相跌落故障后，能量泄放回路被启用，来消耗多 余的能量，此时由于电压环反馈总高于给定，电压 环饱和，有功电流给定输出恒定值，变流器输出对 称电流。然而有功能量中的 2 倍频分量依然未被消 除，母线电压在能量泄放回路的作用下被限制在 1.1 （pu）处左右，但仍可清晰地看到 2 倍频振荡的存 在，影响整个系统的稳定运行。图 5d 为采用 PN- （a）网侧电压单相跌落 80%时采用传统算法 （b）网侧电压单相跌落 80%时采用 PN-VOC 算法 （c）网侧电压两相跌落 80%时采用传统算法 128 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 （d）网侧电压两相跌落 80%时采用 PN-VOC 算法 图 5 0.2～0.7s 不对称电网电压故障时 风电机组仿真波形 VOC 控制策略并结合能量泄放回路时的仿真波形， 由图可见在发生两相跌落故障时 PN-VOC 有效地稳 定了直流侧母线，而能量泄放回路有效地控制了电 网发生跌落故障引起的直流侧瞬时过电压，由于限 流措施所引起直流侧不平衡能量亦被能量泄放回路 有效消除，使得直流侧电压被控制在 1.1（pu）处并 且在电网故障消除后恢复至 1（pu）。 6 实验结果 建立小功率实验系统对本文所提算法进行实 验验证。实验系统主要参数见表 2。网侧变流器与 机侧变流器背靠背分别接入电网，机侧有功功率输 入，模拟永磁风力发电机稳态并网，网侧接不平衡 电压，模拟不对称故障状态，三相不平衡电压采用 升压变压器与降压变压器串联获得 [12]。实验波形 如图 6 所示。图 6a、6b、6d、6e 为用功率分析仪 采集的一个周期的稳态实验波形，实验系统实物如 图 7 所示。 从图 6 实验波形可知，在不平衡电压下，采用 传统控制算法时，锁相环能够较好地得到正序矢量 角，电流波形幅值基本相同，但由于有功功率中的 2 倍频波动量未能进行处理，引起电流发生畸变， 而母线电压波动明显。当采用本文所述基于正负序 电压分别定向矢量控制策略时，如图 6d～6f 所示， 有功能量有效地以正负序电流的方式从直流侧向交 流侧传输，虽然网侧相电压不平衡，但每相传输的 有功功率平衡，直流母线上的波动得到有效抑制， 保证了系统的稳定运行。 第 25 卷第 7 期 肖 磊等 不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制 129 （f）直流母线电压（采用 PN-VOC 算法） 图 6 不平衡电网电压下稳态实验波形 Fig.6 The steady-state experimental results under unbalance voltage 图 7 实验系统实物照片 Fig.7 The photo of experimental system 7 结论 （1）分析了直驱永磁同步风力发电机组网侧变 流器在电网发生不平衡故障时功率传输特性，提出 了一种基于正负序电压分别定向矢量控制策略 （PN-VOC）来有效平抑直流侧母线电压振荡。 （2）在直驱永磁同步风力发电机组直流侧增加 能量泄放回路，通过滞环控制使直流侧母线电压偏 高时泄放能量，抑制直流侧过电压。 （3）运用 Matlab/Simulink 工具箱，对 PN-VOC 控制策略进行仿真验证，并结合直流侧能量泄放回 路，实现直驱永磁同步风力发电机组在电网发生单 相跌落、两相跌落两种不对称故障时不脱网运行。 （4）建立小功率实验平台对 PN-VOC 算法进 行实验验证，通过与传统算法对比验证了不平衡电 压下所提算法的有效性。 参考文献 [1] 张春晖 . 大型风电设备发展的新方向—定子超高 压转子永磁化[J]. 电器工业, 2007(7): 48-50. 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