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摘要：针对电网正常及故障工况，详细阐述了电网电压幅值的快速检测算法和基于正序分量提取的锁相环设计，分析并设计了输出三相电流对称控制目标下直流电压、斩波回路、有功电流及无功电流的控制算法。dSPACE半实物仿真及实际试验结果表明，应用该控制策略能达到预期目标，不仅满足了全功率变流器风电机组LVRT运行的要求，而且还保证了并网电流品质，并具有高电压穿越(HVRT)功能。
关键词：低电压穿越;全功率变流器;风电机组;永磁同步发电机;半实物仿真
0引言
本文以所研制的2.5MW永磁同步风电机组为例，对实现全功率变流器风电机组LVRT运行的关键控制策略进行了全面研究，并通过dSPACE半实物仿真和在全功率变流器上的实际性能测试对所设计的LVRT控制算法进行了验证。
1风电机组LVRT要求及系统结构
1.1 LVRT要求
风电系统低电压穿越能力是指当并网点电压在一定范围内跌落时，风电机组能够保持并网，并向电网提供无功功率以支撑电网恢复。2012年6月1日开始实施的新国家标准《风电场接入电力系统技术规定》对风电场的LVRT做了明确要求：力系统发生故障时，若风电场并网点电压全部在图中轮廓线及以上的区域内，必须保证风电机组不脱网连续运行，否则允许切出。当发生两相/三相短路或单相接地故障时，考核电压分别为并网点线电压或相电压。在电力系统故障清除后，风电机组有功功率应至少以10%额定功率/秒的变化率恢复至故障前的有功功率值。当发生三相短路故障而引起并网点电压跌落至标称电压的20%~90%时，风电机组注入的动态无功电流IT≥1.5×(0.9-UT)×IN
其中:UT为风电场并网点电压标幺值，IN为风电机组额定电流)，控制的响应时间不大于75ms。
1.2永磁同步风电机组结构
本文以所研制的带全功率变流器的2.5MW半直驱型高速永磁同步风电机组作为研究对象。发电机定子连接到背靠背变流器中的机侧变流器，网侧变流器连接到升压变压器以实现并网。机侧变流器采用直接转矩控制，根据整机控制器的转矩指令控制发电机的电磁力矩，实现最大风能捕获;网侧变流器控制直流母线电压的稳定，实现对电网的有功传输和无功补偿，并采用LCL滤波来保证并网电能质量。
当电网发生故障时，发电机输入能量与网侧变流器输出能量不匹配，导致直流电压上升，因此在直流母线侧增加斩波回路以消耗多余的能量;若电压跌落时间较长，可以采用变桨控制来限制风电机组捕获的风能，以达到功率平衡目的。由于发电机和电网之间采用背靠背全功率变流器连接，永磁同步风电机组实现了电气解耦，任何电网故障不会对发电机的运行造成直接影响，因此机侧变流器不需采取额外的控制策略，只需对网侧变流器和斩波回路采取相应的控制措施，即可实现机组的LVRT运行。
2 LVRT控制策略
因电网故障引起的电压跌落分为三相对称跌落和三相不对称跌落2种。当电压发生不对称跌落时，其成分不仅含有正序和负序分量，还可能存在零序分量[8]。为了尽快响应电网故障，风电机组首先需要快速准确地提取三相网压的幅值、相位及频率等相关信息，然后再对网侧变流器的直流电压和并网电流等参数进行相应控制。
2.1电压跌落检测
电压跌落程度是以并网点电压的幅值作为考核依据。风电机组一般通过直接测量并网变压器低压侧电压来反映并网点电压跌落程度。本文采用三角函数分解法[9]计算电压幅值。设a相电压幅值、角频率及初相角分别为uam、ω和φa，其瞬时值可表示为ua(t)=uamsin(ωt+φa)，则
可得:
由式(1)和式(3)的计算过程可以看出，只需由两个时刻的电压瞬时值和锁相环输出的相位角即可计算出该电压的幅值，并且无延时。同理可得b、c相电压幅值ubm和ucm。取uam、ubm和ucm中的最小值umin作为并网点电压跌落程度的判断依据。
2.2锁相环设计
电网电压发生不对称跌落时，负序分量经dq变换后会存在2倍频交流分量，不能直接使用一般三相对称条件下的锁相环。本文先采用改进后的瞬时对称分量法来提取电压中的正序分量，然后对正序分量进行锁相以得到电压的相位和频率。所设计的锁相环不仅适用于三相电压不对称工况，同时也适用于三相电压对称工况。受并网变压器及电压跌落发生器的影响，电网电压在跌落与恢复时会发生畸变，谐波含量很高。实际应用时，为减小计算误差，可以采用一些有效的数值处理措施。
2.3直流电压与斩波控制
电网电压不对称时，存在负序分量。以抑制负序电流作为控制目标时，有功功率的波动会导致直流电压出现二倍频谐波;以抑制直流电压二次谐波作为控制目标时，负序电压会产生较大的负序电流。全功率变流器主电路采用三相三桥臂结构，没有零序通路，无法同时兼顾以上2个控制目标。考虑到负序电流的存在可能会导致网侧变流器过流，本文采用抑制负序电流使三相电流对称的控制策略。
考虑到并网点电压范围为标称电压的15%~125%时网侧变流器均能保持运行，可根据电网电压标称值、实际值及调制的相电压利用率等因素对直流电压控制参考值进行综合调整。为提高PI调节能力，减小输出电流的3次谐波，将实际电压采样值Udc通过二倍频陷波器后再与U*进行比较，其误差作为PI调节器的输入。
同时，为改善直流电压的动态响应，P0为机侧变流器控制发电机输出的实时有功功率，计算出I*dp1后，作为前馈给定值加入到PI调节的输出端。整个直流电压控制外环的输出为有功电流正序分量参考值I*dp当电网电压跌落时，网侧变流器输出功率受到限制，需投入斩波电路以消耗多余的能量，从而保证直流母线电压的稳定。
3 半实物仿真及试验
全功率变流器由2组背靠背变流器组成。为验证本文介绍的全功率变流器风电机组LVRT控制策略，在dSPACE半实物仿真平台上利用Matlab软件搭建了2.5MW永磁同步风电机组及电网电压发生各种跌落的仿真模型;同时对LVRT控制算法在正常电网电压条件下的性能进行了测试验证。
利用该LVRT控制策略能准确地检测出并网点线电压跌落程度，迅速跟踪正序电压相位，能在稳定直流电压的同时有效消除负序电流。可以看出，在电网电压正常时，LVRT控制策略的适用性较好，能很好地稳定直流电压，保证并网电流品质。
4结语
本文以2.5MW永磁同步风电机组为例，设计并分析了全功率变流器LVRT的控制策略对LVRT控制算法进行了详细验证;同时对正常电网电压条件下LVRT控制算法在全功率变流器上的实际性能进行了测试验证。为并网电流品质，满足全功率变流器风电机组LVRT运行做出了一定的实践参考。
参考文献:
[1]陈毅东,杨育林,王立乔，等.电网不对称故障时全功率变流器风电机组控制策略[J].电力系统自动化,2011,35(7):75-79.
[2]李建林，胡书举，孔德国，等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化,2008,32(19):92-94.
[3]蔚兰，陈国呈,曹大鹏，等.双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制策略[J].电工技术学报，2011，26(7):37-42.
论文作者:刘洋1,黄勇2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/12
标签：变流器论文; 电压论文; 机组论文; 电网论文; 风电论文; 功率论文; 永磁论文; 《电力设备》2018年第13期论文;