半直驱永磁风力发电机组低电压穿越能力仿真验证

半直驱永磁风力发电机组低电压穿越能力仿真验证

任娜 张博 朱光伟 何晓聪 李卓伟

明阳智慧能源集团股份公司广东省中山市 528437

摘要：本为阐述了风电机组低电压穿越的相关要求，介绍了一种大功率半直驱永磁同步发电机全功率变流器风力发电机组的结构、工作原理及控制策略。并以3MW半直驱永磁同步发电机全功率变流器风力发电机组为例，在Matlab/Simulink环境下对其进行建模与仿真，验证其低电压穿越的能力。

关键字：半直驱永磁同步发电机全功率变流器风力发电机组；低电压穿越；仿真

1 引言

近年来，随着风力发电技术的发展，风电机组装机容量逐年上升，风力发电所占电网的比例越来越大。在带有大规模并网运行的电网中, 电网一旦发生故障，风机的运行状态将对整个电网的稳定性带来很大影响。尤其当风力发电所占比例较大时，风电机组的解列不但增加电网恢复的难度，还会导致故障的进一步恶化。因此，要求并网风电机组在电网发生跌落故障时能够实现低电压穿越运行，并且在电网故障切除后风电机组能够迅速恢复正常运行, 帮助电网恢复正常工作。

所谓低电压穿越是指风力发电机组在并网点电压跌落时，能够保持不脱网，甚至向电网输出一定的无功功率，支撑电网，直至电网恢复正常。低电压穿越标准如图1所示，其中规定：（1）风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上区域时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切出。（2）风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力。（3）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。（4）故障期间没有切出得风电场,故障清除之后至少以10%Pn/S的功率变化率恢复至故障前的值。

图1风电场低电压穿越标准

2 系统结构及控制介绍

图2为全功率变流器永磁同步发电机PMSG并网风电系统主电路拓扑图。系统包括永磁同步发电机、二极管整流器、Boost电路、逆变电路、Chopper电路组成。整流二极管实现AC-DC转化，Boost电路实现DC-DC转化，逆变器实现输出与电网电压同频、同相电流，Chopper电路用于在电网故障条件下保持直流侧电压稳定，由功率器件和Chopper电阻串联构成。

图2 系统主电路拓扑图

2.1 系统工作原理

全功率变流器Boost电路和逆变电路通过中间电容耦合，两级结构实现解耦的关键在于中间直流电压的稳定，中间直流电压又受前后两级电路电流的影响。当把Boost电路输出的电流作为扰动时，可以通过控制逆变级的输出电流来维持中间直流电压的稳定；把逆变级输出电流作为扰动时，则可以通过控制Boost电路的电流来维持中间直流电压的稳定。

由于二极管整流器后面的电容器容量较小，发电机输出的电流经二极管整流后必须快速从Boost级输出，因此Boost级的控制目标选择为电流。同时，为解耦Boost级和逆变级的关系和将能量输送到电网，逆变级的控制器设计以中间直流电压和输出电流作为控制目标。

当电网电压发生跌落时，电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，将导致功率不匹配引起直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全，因此要采取措施储存或消耗多余的能量可以解决能量的匹配问题。

当电网电压跌落幅度较小输出电流增大后还在限流值以内时不必投入Chopper电阻，网侧变流器仍然可保持直流侧电压稳定；但当电网电压跌落幅值较大时，由于网侧变流器对直流侧电压的调节作用有限，此时必须投入Chopper电阻保证电网故障对风电机运行不产生太大影响。

2.2 低电压穿越控制策略

当电网电压发生故障时，机侧通过适当减小Boost电流给定( )来减小输入直流侧的能量，电网电压恢复后，Boost电流给定逐步恢复至正常给定。

网侧输出功率控制是通过给定网侧电流大小实现，当电网电压发生故障时，网侧电流给定（ 、 、 ）迅速减至0A，实际电流相应迅速减至0A，风电机组不输出有功功率；随后，网侧电流给定在当前给定值的基础上按照固定步长增加，限制该值的范围在（0，最大允许值）之间，也就是不允许风机从电网侧吸收功率；当该给定值大于正常运行模式下的电流给定时，允许跳出低电压穿越控制，按照正常发电模式下的控制算法给定。

3 系统建模与仿真

下图3所示为低电压穿越仿真结构示意图，通过断开S1，闭合S2，配合调整Z1、Z2参数来实现电网电压不同跌落深度的仿真。

图3 低电压穿越仿真结构示意图

3.1 系统仿真模型介绍

根据上述的结构，在Matlab/Simulink环境下搭建风电机组低电压穿越仿真系统模型，其中主要包含的模块有：风力机空气动力模块，传动链模块，发电机变流器及控制模块（电网模块、变流器主电路模块、变流器控制模块、Chopper 控制模块、桨矩角控制模块），模型总体结构见下图4。

图4 模型总体结构图

3.1.1 电网模块

图5电网模块

3.1.2 主电路

主电路模块如图6所示，包括网侧LC 滤波、永磁同步发电机模型、Chopper 电路及其低电压穿越期间的动作逻辑、逆变电路、Boost电路、整流器。

图6电网模块

3.2 仿真结果及分析

以电网电压跌落至20%为例，仿真风力发电机组低电压穿越能力，仿真结果如图7至图11所示。

图7 电网电压波形

图7所示，从3s-3.625s电网电压跌落至20%。

图8 并网电流波形

图8所示，3s时电网电压跌落故障，网侧电流迅速降至0A，然后逐渐增加至正常值，网侧电流跟踪电流给定。在电网电压跌落开始和结束时网侧电流会出现大的毛刺，除此之外，波形稳定。

图9 直流侧电压波形

图9所示，3s时电网电压跌落故障，输入直流侧的能量变化不大，直流侧输出能量突减，直流两侧能量不匹配，导致直流母线电压升高。 根据Chopper电路控制，当直流母线电压高于1200V，Chopper电阻切入，消耗直流侧能量，因此，直流母线电压在低电压穿越整个过程中，能够维持在1200V附件，没有继续上升。

图10 发电机转速波形

图10所示，3s时电网电压跌落故障，因Boost电流的给定有所降低，导致发电机的电磁转矩减小，而风轮传过来的机械转矩变化缓慢，导致发电机转速升高；3.625s之后电网恢复，Boost电路输入能量逐渐恢复，发电机转速逐渐减小至正常。

图11 有功功率波形

图11所示，3s时电网电压跌落故障，根据低电压穿越控制策略，网侧电流给定迅速减小至0A，然后逐渐增加至正常给定值，网侧电流跟踪给定值。

4 结论

由于PMSG风电系统的发电机和电网不存在直接耦合, 因此当电网电压发生跌落时可以对直流侧或网侧变流器进行控制,实现直驱永磁风力发电系统的低电压穿越。在电网电压跌落较严重, 单靠风电系统控制已不能实现低电压穿越时, 通过在直流侧增加Chopper电路, 可大大帮助机组实现低电压穿越。

参考文献

[1]李建林,许洪华. 风力发电中的电力电子变流技术[M]. 北京：机械工业出版社,2008．

[2] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[3]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 第四版. 北京：机械工业出版社，2010.

[4] 李东东,陈陈. 风力发电机组动态模型研究[J]. 中国电机工程学报，2005，25(3)：115-119.

[5]Anaya-lara, Olimpo. Wind Energy Generation Modelling and Control[M]徐政. 北京：机械工业出版社, 2010:75.

作者简介

任娜（1986-），女，明阳智慧能源集团股份公司，控制系统副首席工程师，电气工程师，从事大型并网风力发电机组控制系统的研发。