申 娟1，周 實(shí)2，張靜月1
（1．國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200051；2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070）
摘 要： 針對風(fēng)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(yùn)行平穩(wěn)穿越能力的觀點(diǎn)。首先給出了網(wǎng)側(cè)逆變控制器中的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其電壓電流的數(shù)學(xué)模型，為了設(shè)計(jì)方便選用了電流內(nèi)環(huán)的前饋解耦控制，接著詳細(xì)闡述了直流穩(wěn)壓和向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償?shù)目刂萍夹g(shù)，最后利用MATLAB仿真軟件對提出的控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明該方法穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)電系統(tǒng)；并網(wǎng)控制器；低壓穿越；無功補(bǔ)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(guān)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(qiáng)。在眾多綠色能源中，對風(fēng)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(diǎn)之一，因此風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)必將推動社會跨入一個新領(lǐng)域新階段[1]。并網(wǎng)逆變控制器作為風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)核心部件，擔(dān)負(fù)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(shí)時檢測故障，并能快速采取保護(hù)措施，是風(fēng)電系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行并平穩(wěn)過度的最為關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。基于此，本文以風(fēng)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?fù)浣Y(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(jìn)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(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(shù)，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(shè)圖中控制器中軸a、b、c三點(diǎn)的電壓值分別為va、vb、vc，La=Lb=Lc=L，Ra=Rb=Rc=R，則存在以下關(guān)系：
假設(shè)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(biāo)系中轉(zhuǎn)換到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中[4]，這樣交流量就變?yōu)橹绷髁浚阌诜治觥，F(xiàn)建立坐標(biāo)系[5]，如圖2所示，在三相靜止坐標(biāo)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(biāo)系中，軸與三相靜止坐標(biāo)系中的a軸方向一致，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(shè)一個通用矢量X，在以上所述的坐標(biāo)系中可分別代表不同的分量，如在靜止坐標(biāo)系中可將分量表示為Xa、Xb、Xc和X?琢、X?茁，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)系與dq坐標(biāo)系之間的關(guān)系：
式中，
l
則分量在兩坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)化關(guān)系可表示如下：
將式(2)中等式兩側(cè)所有分項(xiàng)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(xiàng)分解如下：
將式(7)等號右端第一個微分項(xiàng)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(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(guān)系，不便于對控制器輸出電流的控制設(shè)計(jì)。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(jì)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(fēng)電機(jī)組的正常工作。當(dāng)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(fēng)機(jī)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(yù)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?xí)＜帮L(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的安全運(yùn)行。綜上所述，為了保證風(fēng)電系統(tǒng)能繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行度過故障，就必須采取適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)來加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，同時在直流源電壓值基本不變的基礎(chǔ)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(fù)，本文采取對電網(wǎng)補(bǔ)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(jìn)行閉環(huán)控制。為了方便詳細(xì)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(shí)際值實(shí)時比較，其比較結(jié)果經(jīng)PI運(yùn)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(guān)時間，達(dá)到穩(wěn)壓輸出目的。網(wǎng)側(cè)控制器無功補(bǔ)償策略，是將電網(wǎng)電壓正常值與實(shí)際大小實(shí)時對比后經(jīng)PI運(yùn)算調(diào)節(jié)，無功電流給定值i設(shè)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(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓直接檢測，有利于控制的精準(zhǔn)和反應(yīng)靈敏度。而對有功功率的控制，是將功率的給定值與實(shí)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(shí)現(xiàn)有功輸出的閉環(huán)控制。與此同時，為了實(shí)現(xiàn)電流前饋解耦，控制系統(tǒng)還設(shè)置了電流內(nèi)環(huán)，首先通過PLL鎖相技術(shù)，讀出電網(wǎng)電壓實(shí)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(yùn)算得到分量vd和vq，最后對這兩個量進(jìn)行坐標(biāo)反變換以及SVPWM調(diào)制后得到控制器所需要的控制信號。
當(dāng)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(yùn)行；當(dāng)電網(wǎng)電壓ea、eb、ec跌落故障發(fā)生時，系統(tǒng)運(yùn)行在無功補(bǔ)償模式。
4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證
對于上述提出的低電壓穿越控制策略，本文需要進(jìn)一步驗(yàn)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(shè)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(guān)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(jìn)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(yùn)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(bǔ)償模式。在0.30 s處，從圖中可以看出電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)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(fù)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(fù)同頻同相的狀態(tài)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。
通過以上對系統(tǒng)關(guān)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(yùn)行狀態(tài)能夠快速恢復(fù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制方案，并應(yīng)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(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的功能，從而驗(yàn)證了本文所提出的控制技術(shù)的可行性，對于下一步的實(shí)物設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
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