電網(wǎng)電壓不平衡時風電變流器網(wǎng)側(cè)控制策略研究

徐其惠 曹貝貞 蘇昭暉

（1.東汽投資發(fā)展有限公司；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽， 618000）

1 概述

近年來，我國風力發(fā)電發(fā)展迅速，裝機容量大幅增加，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響也越來越大，風力發(fā)電對電網(wǎng)的適應性問題也越來越尖銳，電網(wǎng)電壓不平衡就是一個很明顯的例子。在電力機車較多的區(qū)域，如三門峽或偏僻的地區(qū)電網(wǎng)，風力發(fā)電機組需要在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下正常并網(wǎng)發(fā)電，避免由于電網(wǎng)電壓不平衡導致的三相電流不對稱和電機發(fā)熱等問題。

無論雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)還是直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)變流器都是直接連接電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓不平衡時，網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)存在負序電流，造成三相電流不對稱，直流側(cè)存在一個兩倍于工頻的波動，同時直流電壓波動會影響交流輸入電流，使之產(chǎn)生三次諧波，這會污染電網(wǎng)，危害電網(wǎng)上的其他用電設備[1]。

本文根據(jù)實際風電場運行的需要，提出一種在不改變常規(guī)風電變流器控制的基礎上，附加負序電流抑制算法的控制方法，較好地解決了實際風電機組由于電流不平衡保護停機的問題，同時不影響正常的風電機組控制，并在實際風電場進行了典型應用，可以對實際風電機組進行直接改造，具有較強的現(xiàn)實意義。

2 電網(wǎng)電壓不平衡時網(wǎng)側(cè)變流器控制算法

為簡化分析，我們只考慮電網(wǎng)正序、負序基波電壓的作用，且假設網(wǎng)側(cè)變流器的輸入電壓只含正序基波分量，則網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電路可以分解成正序、負序回路，如圖1所示：

圖1 三相電壓不平衡時網(wǎng)側(cè)變流器等效電路

其中，eap、ebp、ecp分別為電網(wǎng)三相正序電壓，Vap、Vbp、Vcp分別為網(wǎng)側(cè)變流器輸入正序電壓，ean、ebn、ecn分別為電網(wǎng)三相負序電壓，L、R分別為網(wǎng)側(cè)變流器輸入電抗器參數(shù)。由于MW級風電變流器輸入電抗器很小 （一般小于0.5mH），導致負序電流很大，嚴重時將導致網(wǎng)側(cè)變流器過流，甚至燒壞網(wǎng)側(cè)變流器裝置。

近年來國內(nèi)外學者進行了大量研究并提出了許多電網(wǎng)不平衡時變流器的控制方法，如：抑制交流側(cè)負序電流的控制方法[1]，負序電流前饋的控制方法[1]，雙電流閉環(huán)的不平衡控制方法[2]，基于預測電流的三相不平衡的控制策略[3]，基于自抗擾控制的負序抑制算法[4]等等，各有優(yōu)缺點，在此不再贅述。目前研究較多的是雙電流閉環(huán)的不平衡控制方法，舉例說明。

雙電流閉環(huán)的不平衡控制方法首先將電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流進行正負序分離，然后針對正序和負序分別進行解耦控制以達到網(wǎng)側(cè)變流器控制的目的，具體控制原理框圖見圖2。

圖2 雙電流閉環(huán)的不平衡控制框圖

該方法從理論上可以完全消除交流側(cè)電壓波動，實現(xiàn)對電流的無差跟蹤，其實質(zhì)是向網(wǎng)側(cè)電流中增加適當?shù)呢撔螂娏鱽頋M足對交流電壓控制精度的要求。該方法針對正負序分量分別控制，可以做到正負序完全分離，互不影響，但控制復雜，增大了調(diào)試難度，不利于直接改造現(xiàn)有的變流器。

圖3 附加負序電流抑制算法控制框圖

在以往研究的基礎上，考慮變流器軟件運行效率和硬件處理能力的限制，提出附加負序電流抑制算法的網(wǎng)側(cè)變流器控制方法。

該方法在常規(guī)網(wǎng)側(cè)變流器控制的基礎上，使用瞬時對稱分量法[5]提取出網(wǎng)側(cè)電流的負序分量，然后針對負序電流的dq軸分量分別進行PI調(diào)節(jié)，最終達到抑制負序電流的目的。

該方法不影響常規(guī)的變流器控制和PI參數(shù)調(diào)節(jié)，只需要附加負序電流抑制算法即可消除負序電流的影響，適用于電壓不平衡的風電場變流器改造，也適用于常規(guī)變流器，在軟件運行效率變化不大的情況下，有效地避免電網(wǎng)電壓不平衡導致的風機控制問題。

3 仿真及結(jié)果

根據(jù)實際1.5MW雙饋風電變流器系統(tǒng)參數(shù)進行仿真，電網(wǎng)線電壓690VAC，電抗器0.5mH，直流鏈電容15600μF，電壓基值400V，電流基值1000A。使用常規(guī)網(wǎng)側(cè)變流器控制算法、雙閉環(huán)電流控制算法和附加負序電流抑制算法進行仿真比較，從圖4中的c，d可以看出網(wǎng)側(cè)電流不平衡度超過40%，主要原因是網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間阻抗較小，故較小的電網(wǎng)電壓不平衡就會導致較大的網(wǎng)側(cè)變流器電流不平衡。從圖4中的b可以看出，電網(wǎng)電壓不平衡時不采取任何處理措施的話，網(wǎng)側(cè)變流器電流畸變嚴重，三相間幅值偏差較大，容易觸發(fā)電流不平衡保護而停機。

圖5為電網(wǎng)電壓不平衡時常規(guī)網(wǎng)側(cè)變流器控制算法下的負序dq軸反饋電流值，從中也可以看出實際網(wǎng)側(cè)變流器電流中負序成分較大。

圖5 電網(wǎng)電壓不平衡時常規(guī)網(wǎng)側(cè)變流器控制波形2

圖6為相同的電網(wǎng)電壓不平衡情況下采用正負序雙閉環(huán)電流控制方法處理所得波形數(shù)據(jù)，從圖6（b）可以看出經(jīng)過控制調(diào)節(jié)后三相電流趨近于對稱；從圖6（d）對比圖4（d）可以看出網(wǎng)側(cè)變流器電流中負序電流成分大幅減小，負序電流得到了較好的抑制。

圖6 電網(wǎng)電壓不平衡時雙電流閉環(huán)控制方法波形1

圖7為相同的電網(wǎng)電壓不平衡情況下采用正負序雙閉環(huán)電流控制方法處理所得負序dq軸反饋電流波形，與圖5比較可以看出網(wǎng)側(cè)變流器負序dq軸電流明顯減小。

圖7 電網(wǎng)電壓不平衡時雙電流閉環(huán)控制方法波形2

圖8為電網(wǎng)電壓不平衡時采用附加負序電流抑制算法控制時的電壓電流波形數(shù)據(jù)。從圖8（b）可以看出經(jīng)過控制調(diào)節(jié)后網(wǎng)側(cè)變流器三相電流趨于對稱；從圖8（d）對比圖4（d）可以看出網(wǎng)側(cè)變流器電流中負序電流成分大幅減小，負序電流得到了較好的抑制；從圖8和圖6對比可以看出附加負序電流抑制算法控制和雙電流閉環(huán)控制效果較為接近，都起到了較好的效果，但是附加負序電流抑制算法簡單易實現(xiàn)，軟件運算時間短，調(diào)節(jié)方便，尤其適用于現(xiàn)有風電變流器的改造。

圖8 電網(wǎng)電壓不平衡時附加負序電流控制方法波形1

圖9為相同的電網(wǎng)電壓不平衡情況下采用負序電流抑制算法處理所得負序dq軸反饋電流波形，與圖5比較可以看出網(wǎng)側(cè)變流器負序dq軸電流明顯減小；與圖7相比可以看出，附加負序電流抑制算法控制和雙電流閉環(huán)控制效果較為接近，都起到了較好的效果。

圖9 電網(wǎng)電壓不平衡時附加負序電流控制方法波形2

4 結(jié)論

本文介紹了電網(wǎng)電壓不平衡時的網(wǎng)側(cè)變流器控制算法，并根據(jù)實際1.5MW風電變流器的情況進行了仿真計算，提出了一種負序電流抑制算法的網(wǎng)側(cè)變流器控制方法。該方法相比于常規(guī)風電變流器控制算法而言，較好地解決了電網(wǎng)電壓不平衡導致的網(wǎng)側(cè)變流器電流不對稱問題，相比于雙閉環(huán)電流控制算法而言，簡單易實現(xiàn)，控制更容易。

電網(wǎng)電壓不平衡時附加負序電流抑制的網(wǎng)側(cè)變流器控制方法已經(jīng)在公司自主型1.5MW雙饋風電變流器使用，并且該方法在實際風電場得到了驗證，取得了較好的控制效果。

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