申 娟1，周 实2，张静月1
（1．国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200051；2.上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070）
摘 要： 针对风电并网系统中发生的电网电压跌落故障，提出系统须具备继续运行平稳穿越能力的观点。首先给出了网侧逆变控制器中的功率拓扑结构及其电压电流的数学模型，为了设计方便选用了电流内环的前馈解耦控制，接着详细阐述了直流稳压和向电网提供无功补偿的控制技术，最后利用MATLAB仿真软件对提出的控制方法进行仿真实验分析，结果表明该方法稳定可靠。
0 引言
随着社会的高速发展，能源问题已然成为关系着人类生存和发展的重要问题，因此寻求绿色新能源的意识也日益增强。在众多绿色能源中，对风能的开发利用，日益成为国家能源战略规划中的重点之一，因此风力发电产业必将推动社会跨入一个新领域新阶段[1]。并网逆变控制器作为风电系统的技术核心部件，担负着向电网不间断地输送高质量电能的重任。如今电网电压跌落故障频繁发生影响着整个系统的安全性和稳定性，而并网控制器具备实时检测故障，并能快速采取保护措施，是风电系统继续运行并平稳过度的最为关键技术之一[2]。基于此，本文以风力发电系统中的并网逆变控制器为研究对象，对控制器的拓扑结构以及在故障发生时控制器所采取的低电压穿越控制策略，进行了深入的分析和研究。
1 网侧控制器在dq两相旋转坐标系下的数学模型
本文主要针对电网电压对称跌落故障方面的研究。为了更好地分析并网控制器的控制技术，现将电路的功率结构简化为图1所示，udc为控制器前端的直流电压源，ia、ib、ic为A、B、C三相并网电流，Ra、Rb、Rc为控制器和电网之间的压降电阻，La、Lb、Lc为三相并网电流的滤波电感，ea、eb、ec为电网电压[3]。
设图中控制器中轴a、b、c三点的电压值分别为va、vb、vc，La=Lb=Lc=L，Ra=Rb=Rc=R，则存在以下关系：
假设p为微分算子，将式(1)转换成矩阵等式，即：
由于控制器中三相交流电流研究起来相对繁琐，本文将其从abc三相静止坐标系中转换到dq两相旋转坐标系中[4]，这样交流量就变为直流量，便于分析。现建立坐标系[5]，如图2所示，在三相静止坐标系中，abc三轴逆时针顺序分布在一个平面内，两两相差120°；两相静止坐标系中，轴与三相静止坐标系中的a轴方向一致，两相旋转坐标系中，dq两轴垂直分布，分别代表控制器向电网输送的无功和有功分量，其中q轴与a轴相差角度，两轴旋转速度与电网电压角速度相同，。
假设一个通用矢量X，在以上所述的坐标系中可分别代表不同的分量，如在静止坐标系中可将分量表示为Xa、Xb、Xc和X?琢、X?茁，在旋转坐标系中，同样可将分量表示为Xd、Xq、Xo(零轴分量)。在此采用等幅值变换方法后，得到分量在abc坐标系与dq坐标系之间的关系：
式中，
l
则分量在两坐标系中的转化关系可表示如下：
将式(2)中等式两侧所有分项同时乘以R3s/2r，可得到下列式子：
根据微分知识：p(y1，y2)=p(y1)y2+p(y2)y1，将式(6)中等号左侧的微分项分解如下：
将式(7)等号右端第一个微分项化简：
将式(7)、式(8)代入式(6)得出并网逆变器电流电压在dq两相旋转坐标系下的数学模型：
2 并网控制器电流内环前馈解耦分析
将式(10)矩阵等式展开如下：
从上式中很明显可以看出，dq两轴分量为耦合关系，不便于对控制器输出电流的控制设计。通过研究，本文采用PI调节前馈解耦的控制方法来消除它们的耦合[6]，通过逻辑分析整理，可用如下计算公式来表示：
3 并网控制器低压穿越控制系统
在并网过程中，电网电压跌落故障往往会影响风电机组的正常工作。当故障发生时，控制器向电网输送的电能骤然下降，但此刻风机向控制器输送的电能基本不变，致使控制器的电能输出输入失去平衡，多出的电能积压在控制器前端的稳压电容上，使直流源电压值不可控地飙升，另外，系统会以加大输出并网电流为代价，来促使控制器电能输出与输入趋于平衡。因此故障将给系统带来不可预测的种种后果：系统输出电流变大并超出最大值，势必会加大功率器件被击穿的可能性，控制器被损坏，甚至会危及风电机组系统的安全运行。综上所述，为了保证风电系统能继续并网运行度过故障，就必须采取适当的控制技术来加速电网电压的恢复，同时在直流源电压值基本不变的基础上，逆变器能够最大限度向电网输送电能[7]。
本文针对以上提出的要求，决定对直流源采取电压闭环控制方法。为加快电网电压的快速恢复，本文采取对电网补偿无功功率的策略，同时为保障电能的输送率，对有功功率进行闭环控制。为了方便详细阐述，本文构建了并网控制器的控制系统框图，如图3所示，首先是直流源的控制，本文将期望电压值600 V与实际值实时比较，其比较结果经PI运算控制、PWM调制，输出的控制信号用来控制整流器中的功率器件的开关时间，达到稳压输出目的。网侧控制器无功补偿策略，是将电网电压正常值与实际大小实时对比后经PI运算调节，无功电流给定值i设为控制结果，即根据电网电压跌落深度来改变i大小[8，9]，继而改变系统向电网提供的无功功率的大小。该策略实现对电网电压直接检测，有利于控制的精准和反应灵敏度。而对有功功率的控制，是将功率的给定值与实际值比较、PI控制，其调节结果作为并网有功电流的给定值i，实现有功输出的闭环控制。与此同时，为了实现电流前馈解耦，控制系统还设置了电流内环，首先通过PLL锁相技术，读出电网电压实时的相位角以及角速度?棕，然后根据式(12)的逻辑方法搭建内环，通过运算得到分量vd和vq，最后对这两个量进行坐标反变换以及SVPWM调制后得到控制器所需要的控制信号。
当电网电压ea、eb、ec正常时，i被调节为0，无功功率为0，系统向电网输送最大有功功率，正常运行；当电网电压ea、eb、ec跌落故障发生时，系统运行在无功补偿模式。
4 系统仿真验证
对于上述提出的低电压穿越控制策略，本文需要进一步验证，首先用MATLAB/Simulink软件构建了并网控制器仿真模型，如图4所示。具体参数设置为：控制器总功率为2 kW；控制器前端直流源为600 V，对其调节的PI控制因数：Kp为3，KI为26；稳压电容容值为2 500 μF；并网电流滤波电感L为2.5 mH；有功电流环PI控制因数：Kp为6，KI为28；无功电流环PI控制因数：Kp为3，KI为26；系统仿真时间为0.45 s，电网电压跌落在0.10 s触发， 0.30 s关闭。
对故障发生前后，本文分别对电网电压、直流电压源、并网电流、以及有功和无功功率的仿真波形进行了分析。如图5～图9所示，在0～0.10 s内，直流源电压值保持在600 V，并网电流紧跟电网电压，两者同频同相，有功功率为2 kW，无功功率几乎为0，系统正常运行。在0.10 s处，电网电压大小如图5所示降至正常值的70%左右，即电网电压跌落故障发生，直流电压大小如图6波动至700 V后又迅速降至原来的600 V不变；有功功率如图7所示，由原来的2 kW突然降至1.6 kW左右后，又快速稳定在1.75 kW不变；无功功率如图8所示飙升至1.5 kW不变；并网电流如图9所示与电网电压有了一定的相位差。此时，系统工作在无功补偿模式。在0.30 s处，从图中可以看出电网电压迅速恢复至正常值，故障消除；直流源电压虽然有一些小的波动，但又迅速调节至600 V稳定不变；有功功率此刻瞬间变大并超过2 kW，但在0.35 s处又快速恢复至原来的2 kW稳定不变；而无功功率迅速被系统调节至很小的值，几乎为0；并网电流和电网电压此刻又恢复同频同相的状态，系统正常运行。
通过以上对系统关键部位的仿真分析，电网电压跌落故障发生期间，对直流母线电压大小几乎没有影响，有功功率输出能够闭环控制，控制器能够继续并网工作，故障消除后系统运行状态能够快速恢复正常。
5 结论
针对电网电压跌落故障，通过对系统控制器功率结构的研究，本文提出了风力发电系统低电压穿越控制方案，并应用仿真软件MATLAB/Simulink搭建完整的控制模型，仿真结果表明本文提出的控制方案安全可靠，能够使风电系统实现低电压穿越的功能，从而验证了本文所提出的控制技术的可行性，对于下一步的实物设计有一定的参考意义。
参考文献
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