申 娟1，周 實2，張靜月1
（1．國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200051；2.上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）
摘 要： 針對風電并網系統中發生的電網電壓跌落故障，提出系統須具備繼續運行平穩穿越能力的觀點。首先給出了網側逆變控制器中的功率拓撲結構及其電壓電流的數學模型，為了設計方便選用了電流內環的前饋解耦控制，接著詳細闡述了直流穩壓和向電網提供無功補償的控制技術，最后利用MATLAB仿真軟件對提出的控制方法進行仿真實驗分析，結果表明該方法穩定可靠。
0 引言
隨著社會的高速發展，能源問題已然成為關系著人類生存和發展的重要問題，因此尋求綠色新能源的意識也日益增強。在眾多綠色能源中，對風能的開發利用，日益成為國家能源戰略規劃中的重點之一，因此風力發電產業必將推動社會跨入一個新領域新階段[1]。并網逆變控制器作為風電系統的技術核心部件，擔負著向電網不間斷地輸送高質量電能的重任。如今電網電壓跌落故障頻繁發生影響著整個系統的安全性和穩定性，而并網控制器具備實時檢測故障，并能快速采取保護措施，是風電系統繼續運行并平穩過度的最為關鍵技術之一[2]。基于此，本文以風力發電系統中的并網逆變控制器為研究對象，對控制器的拓撲結構以及在故障發生時控制器所采取的低電壓穿越控制策略，進行了深入的分析和研究。
1 網側控制器在dq兩相旋轉坐標系下的數學模型
本文主要針對電網電壓對稱跌落故障方面的研究。為了更好地分析并網控制器的控制技術，現將電路的功率結構簡化為圖1所示，udc為控制器前端的直流電壓源，ia、ib、ic為A、B、C三相并網電流，Ra、Rb、Rc為控制器和電網之間的壓降電阻，La、Lb、Lc為三相并網電流的濾波電感，ea、eb、ec為電網電壓[3]。
設圖中控制器中軸a、b、c三點的電壓值分別為va、vb、vc，La=Lb=Lc=L，Ra=Rb=Rc=R，則存在以下關系：
假設p為微分算子，將式(1)轉換成矩陣等式，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三相靜止坐標系中轉換到dq兩相旋轉坐標系中[4]，這樣交流量就變為直流量，便于分析。現建立坐標系[5]，如圖2所示，在三相靜止坐標系中，abc三軸逆時針順序分布在一個平面內，兩兩相差120°；兩相靜止坐標系中，軸與三相靜止坐標系中的a軸方向一致，兩相旋轉坐標系中，dq兩軸垂直分布，分別代表控制器向電網輸送的無功和有功分量，其中q軸與a軸相差角度，兩軸旋轉速度與電網電壓角速度相同，。
假設一個通用矢量X，在以上所述的坐標系中可分別代表不同的分量，如在靜止坐標系中可將分量表示為Xa、Xb、Xc和X?琢、X?茁，在旋轉坐標系中，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坐標系與dq坐標系之間的關系：
式中，
l
則分量在兩坐標系中的轉化關系可表示如下：
將式(2)中等式兩側所有分項同時乘以R3s/2r，可得到下列式子：
根據微分知識：p(y1，y2)=p(y1)y2+p(y2)y1，將式(6)中等號左側的微分項分解如下：
將式(7)等號右端第一個微分項化簡：
將式(7)、式(8)代入式(6)得出并網逆變器電流電壓在dq兩相旋轉坐標系下的數學模型：
2 并網控制器電流內環前饋解耦分析
將式(10)矩陣等式展開如下：
從上式中很明顯可以看出，dq兩軸分量為耦合關系，不便于對控制器輸出電流的控制設計。通過研究，本文采用PI調節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，可用如下計算公式來表示：
3 并網控制器低壓穿越控制系統
在并網過程中，電網電壓跌落故障往往會影響風電機組的正常工作。當故障發生時，控制器向電網輸送的電能驟然下降，但此刻風機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壓電容上，使直流源電壓值不可控地飆升，另外，系統會以加大輸出并網電流為代價，來促使控制器電能輸出與輸入趨于平衡。因此故障將給系統帶來不可預測的種種后果：系統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，甚至會危及風電機組系統的安全運行。綜上所述，為了保證風電系統能繼續并網運行度過故障，就必須采取適當的控制技術來加速電網電壓的恢復，同時在直流源電壓值基本不變的基礎上，逆變器能夠最大限度向電網輸送電能[7]。
本文針對以上提出的要求，決定對直流源采取電壓閉環控制方法。為加快電網電壓的快速恢復，本文采取對電網補償無功功率的策略，同時為保障電能的輸送率，對有功功率進行閉環控制。為了方便詳細闡述，本文構建了并網控制器的控制系統框圖，如圖3所示，首先是直流源的控制，本文將期望電壓值600 V與實際值實時比較，其比較結果經PI運算控制、PWM調制，輸出的控制信號用來控制整流器中的功率器件的開關時間，達到穩壓輸出目的。網側控制器無功補償策略，是將電網電壓正常值與實際大小實時對比后經PI運算調節，無功電流給定值i設為控制結果，即根據電網電壓跌落深度來改變i大小[8，9]，繼而改變系統向電網提供的無功功率的大小。該策略實現對電網電壓直接檢測，有利于控制的精準和反應靈敏度。而對有功功率的控制，是將功率的給定值與實際值比較、PI控制，其調節結果作為并網有功電流的給定值i，實現有功輸出的閉環控制。與此同時，為了實現電流前饋解耦，控制系統還設置了電流內環，首先通過PLL鎖相技術，讀出電網電壓實時的相位角以及角速度?棕，然后根據式(12)的邏輯方法搭建內環，通過運算得到分量vd和vq，最后對這兩個量進行坐標反變換以及SVPWM調制后得到控制器所需要的控制信號。
當電網電壓ea、eb、ec正常時，i被調節為0，無功功率為0，系統向電網輸送最大有功功率，正常運行；當電網電壓ea、eb、ec跌落故障發生時，系統運行在無功補償模式。
4 系統仿真驗證
對于上述提出的低電壓穿越控制策略，本文需要進一步驗證，首先用MATLAB/Simulink軟件構建了并網控制器仿真模型，如圖4所示。具體參數設置為：控制器總功率為2 kW；控制器前端直流源為600 V，對其調節的PI控制因數：Kp為3，KI為26；穩壓電容容值為2 500 μF；并網電流濾波電感L為2.5 mH；有功電流環PI控制因數：Kp為6，KI為28；無功電流環PI控制因數：Kp為3，KI為26；系統仿真時間為0.45 s，電網電壓跌落在0.10 s觸發， 0.30 s關閉。
對故障發生前后，本文分別對電網電壓、直流電壓源、并網電流、以及有功和無功功率的仿真波形進行了分析。如圖5～圖9所示，在0～0.10 s內，直流源電壓值保持在600 V，并網電流緊跟電網電壓，兩者同頻同相，有功功率為2 kW，無功功率幾乎為0，系統正常運行。在0.10 s處，電網電壓大小如圖5所示降至正常值的70%左右，即電網電壓跌落故障發生，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；并網電流如圖9所示與電網電壓有了一定的相位差。此時，系統工作在無功補償模式。在0.30 s處，從圖中可以看出電網電壓迅速恢復至正常值，故障消除；直流源電壓雖然有一些小的波動，但又迅速調節至600 V穩定不變；有功功率此刻瞬間變大并超過2 kW，但在0.35 s處又快速恢復至原來的2 kW穩定不變；而無功功率迅速被系統調節至很小的值，幾乎為0；并網電流和電網電壓此刻又恢復同頻同相的狀態，系統正常運行。
通過以上對系統關鍵部位的仿真分析，電網電壓跌落故障發生期間，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控制，控制器能夠繼續并網工作，故障消除后系統運行狀態能夠快速恢復正常。
5 結論
針對電網電壓跌落故障，通過對系統控制器功率結構的研究，本文提出了風力發電系統低電壓穿越控制方案，并應用仿真軟件MATLAB/Simulink搭建完整的控制模型，仿真結果表明本文提出的控制方案安全可靠，能夠使風電系統實現低電壓穿越的功能，從而驗證了本文所提出的控制技術的可行性，對于下一步的實物設計有一定的參考意義。
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