基于負載電流前饋補償?shù)木W(wǎng)側(cè)變流器控制

梁世林，馬立修，趙 永,馬一鳴

(山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255049)

基于負載電流前饋補償?shù)木W(wǎng)側(cè)變流器控制

梁世林，馬立修，趙 永,馬一鳴

(山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255049)

保證母線電壓恒定是風電系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸能量的關(guān)鍵，當電網(wǎng)受到擾動時，快速控制變流器響應(yīng)，保持功率平衡，以使并網(wǎng)系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)運行.根據(jù)功率平衡原理，結(jié)合前饋和反饋的優(yōu)點，利用小信號分析法，提出一種負載電流的前饋控制策略.引入負載電流前饋項，抵消來自系統(tǒng)故障下的擾動，緩和了風電系統(tǒng)能量失衡，保證了直流電壓穩(wěn)定.系統(tǒng)仿真波形顯示，該策略不僅緩和了直流側(cè)電壓暫態(tài)波動，還能發(fā)出無功功率幫助系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行.

風力發(fā)電；網(wǎng)側(cè)變流器；前饋控制；小信號分析法

風力能源切入及切出會影響系統(tǒng)的功率均衡和潮流分布，導致系統(tǒng)頻率變化，存在擴大停電范圍的風險[1-2].針對防止脫網(wǎng)運行，許多學者進行了大量研究，將直流電壓穩(wěn)定控制策略大致分為兩個方向：一是通過增加保護電路卸載未能傳輸?shù)哪芰炕蜓a償無功功率，這需要大大增加成本，而且保護電路的投入和切除均會對系統(tǒng)帶來很大的暫態(tài)沖擊，適用于系統(tǒng)電壓深度跌落或遭遇嚴重故障情況.二是通過機側(cè)和網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制，改變風機吸收風能效率或利用風葉片慣性儲能減少對電網(wǎng)系統(tǒng)的輸送功率，使其功率平衡，保證電容電壓恒定.此類方法需要發(fā)電機的參與，會引發(fā)更多的不可控性，原則上當系統(tǒng)電壓發(fā)生輕微或中度跌落時，盡可能保持風力發(fā)電機的正常運行狀態(tài).文獻[3]利用反對稱結(jié)構(gòu)理論，設(shè)計網(wǎng)側(cè)變流器，思路新穎，但計算繁瑣.文獻[4]提出了環(huán)流控制方法解決了系統(tǒng)低頻環(huán)流問題，但系統(tǒng)成本大大增加，對小功率風力發(fā)電意義不大，適用于大功率風電系統(tǒng).文獻[5]對網(wǎng)側(cè)變流器加入適時分段控制，提出了新型控制策略，在并網(wǎng)的瞬間減小對電網(wǎng)的沖擊，適用于大功率雙饋發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)；文獻[6]采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)控制策略，控制系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)下，解決了不同風速條件下風電并網(wǎng)控制，但沒有解決系統(tǒng)電壓跌落帶來的沖擊問題；文獻[7]基于小信號分析法，提出了前饋控制策略，但當電壓跌落時需要機側(cè)變流器協(xié)同，增加了控制難度.文獻[8]采用卸荷電路限制直流母線過電壓，在卸荷電阻切除時會帶來電壓震蕩，適用于電網(wǎng)深度跌落.

本文以雙饋發(fā)電機風電系統(tǒng)為例,結(jié)合前饋-反饋控制的各自優(yōu)點，提出改進型前饋補償策略，通過優(yōu)化網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，設(shè)計前饋補償系數(shù)，當電網(wǎng)電壓跌落時，將負載電流變化對母線電壓帶來的影響考慮在內(nèi)，對電流內(nèi)環(huán)的給定值進行補償，抵消來自負載變化時對直流電壓的擾動.通過MATLAB/SIMLINK搭建模型，驗證了該控制策略的有效性.

1 風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器建模分析

研究風電并網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，需要建立網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學等效模型[9].雙饋發(fā)電機定子側(cè)通常串聯(lián)一個小值電阻作為限流負載，對雙饋發(fā)電機進行模型簡化，數(shù)學模型如圖1所示.

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器的等效電路

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標是：(1)保持母線電壓穩(wěn)定，保證功率正常傳輸，且有很好的抗擾動性.(2)保證輸入電流正弦，確保電能質(zhì)量，并在故障下向系統(tǒng)提供一定的無功功率.

網(wǎng)側(cè)變流器一般采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，即在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下d軸與電網(wǎng)電壓矢量Vg重合，在此坐標系建立數(shù)學模型：

(1)

式中：Vd、Vq為變流器輸出端的在旋轉(zhuǎn)坐標dq的電壓；ugd、ugq為網(wǎng)側(cè)變流器輸出的dq分量；igd、igq為網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)的dq軸分量.

當風電并網(wǎng)正常運行時，由圖1可知，根據(jù)基爾霍夫定律，直流側(cè)電容傳送的瞬時功率為

(2)

(3)

Pg=udcigd

(4)

式中：C為直流電容;ig為整流器輸出電流.

要使直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定，變流器傳送功率必須保持平衡，即Ps=Pg，則udc應(yīng)為常值，一般控制方法對udc采用閉環(huán)控制，把直流側(cè)電容電壓作為控制目標，通過控制d軸參考電流，實現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦控制，保證功率傳輸平衡.

當電網(wǎng)發(fā)生小幅電壓跌落時，變流器傳輸?shù)乃矔r功率保持平衡，即

Pg=Ps+Pc

(5)

即

(6)

(7)

通過上述分析，電流狀態(tài)反饋通過系統(tǒng)電壓前饋補償實現(xiàn)了對系統(tǒng)電壓跌落的補償控制，這種補償策略可以維持電壓基本穩(wěn)定.這個前饋補償量考慮了在風速變化條件下，造成發(fā)電機輸出有功功率變化，從而對功率傳輸不平衡造成的影響，沒有考慮負載突變時給系統(tǒng)帶來的擾動.負載變化時，負載電流發(fā)生變化，Ps/egd值不變，不能消除負載電阻變化引起的負載電流變化，即電流調(diào)節(jié)環(huán)設(shè)定值不夠理想.本文通過小信號模型分析法，改善反饋電流參數(shù)，將其前饋和反饋控制的優(yōu)點結(jié)合起來，提出前饋—反饋控制策略，既能發(fā)揮前饋控制響應(yīng)迅速的優(yōu)點，又涵蓋了抑制外來擾動的長處.

2 基于小信號模型分析法的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵是對d軸輸入電流控制.網(wǎng)側(cè)變流器是交直電流形式轉(zhuǎn)換，通過直流電容傳送能量的變換系統(tǒng).由于電網(wǎng)系統(tǒng)近似無窮大，電網(wǎng)系統(tǒng)電壓基本恒定,可以通過控制d軸輸入電流大小來控制風電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移速度.

由(1)式可知，直流側(cè)電容電壓易受負載電流iload的影響.因此，負載電流iload對于整個系統(tǒng)是一個外部擾動信號.在引入此補償信號前，當負載電流發(fā)生變化，直流電容電壓首先受到影響，偏離設(shè)定值，導致電容電壓與設(shè)定值偏差增大.雖然通過電壓調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)能夠逐漸消除這一偏差，使其重新進入穩(wěn)態(tài)，但電壓調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)速度較慢，需要一定的時間過程，這個期間動態(tài)過程會使系統(tǒng)功率失衡，多余的能量對其電容電壓充電，造成電容電壓波動.下面采用小信號模型方法對此進行數(shù)學分析[9].

假設(shè)直流側(cè)電容電壓值受負載和電網(wǎng)突變的影響，忽略功率器件的開通和關(guān)斷損耗，根據(jù)功率平衡和KCL定律，可得

(8)

3ui=Udciload

(9)

i=Kiref

(10)

利用小信號的線性化方法，令

(11)

將式(11)代入式(8)～(10)，可得

(12)

忽略高次項，可得穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)等式

(13)

(14)

根據(jù)等式(14)，得到小信號的控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示.

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的小信號控制結(jié)構(gòu)圖

其中，

為消除電網(wǎng)突變或負載電流給直流側(cè)電容電壓帶來的干擾，在此控制基礎(chǔ)上引入前饋補償項，優(yōu)化電流給定值，使其流入直流側(cè)電容的電流為零，避免對其電容充電，從而可以抑制電容電壓波動.此時，電容兩端功率保持平衡(忽略功率器件損耗)，由式(9)、(10)聯(lián)立可得

(15)

可取前饋項iref，使輸出iu=0，使母線電壓穩(wěn)定.

令iref=Iref+Δiref，代入式(15)得

(16)

整理得

IrefU+IrefΔu+UΔiref+ΔirefΔu=

忽略高次項，可得

(17)

Δiref=GIΔiload-GVΔu

(18)

根據(jù)式(18)繪制前饋補償控制的小信號結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示.

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器前饋補償控制的小信號結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知,負載電流iload在此控制系統(tǒng)中作為擾動輸入,通過前饋系數(shù)放大倍數(shù)后作為電流內(nèi)環(huán)設(shè)定值的補償量，它的符號和大小反映了流經(jīng)雙饋電機轉(zhuǎn)子回路能量的方向和大小.為了抑制電網(wǎng)電壓跌落以及負載電流對風電并網(wǎng)系統(tǒng)帶來的擾動，本文基于小信號電流模型法，提出了一種帶負載電流前饋補償控制的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略.其中GI為前饋控制器.

圖4為網(wǎng)側(cè)變流器控制策略圖，電流環(huán)有功電流指令由直流母線電壓外環(huán)給出，通過控制直流母線電壓穩(wěn)定間接實現(xiàn)功率傳輸平衡.無功功率指令則根據(jù)系統(tǒng)運行要求所需的功率因數(shù)設(shè)定.

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

3 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)圖4所示的前饋補償控制策略,搭建雙饋風電系統(tǒng)仿真模型,并用Matlab/Simulink軟件搭建了容量為2MW的雙饋風電系統(tǒng)模型[10].系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1.

在仿真過程中系風速保持為10m/s.在0.2s時，電網(wǎng)電壓跌落幅度為50%，負載電阻從20Ω縮小到10Ω，持續(xù)時間為0.40s,系統(tǒng)采用前饋電流補償控制策略，仿真得到的波形如圖5((a)～(f))所示.

在電網(wǎng)正常運行時，系統(tǒng)發(fā)出的無功功率為零，通過閉環(huán)控制策略，使得直流母線電壓保持在700V,此時系統(tǒng)運行在單位功率下.

(a) 系統(tǒng)三相電壓波形

(b)系統(tǒng)三相電流波形

(c)無前饋控制時直流母線電壓

(d) 加入前饋控制時直流母線電壓波形

(e)無前饋控制時輸出有功和無功波形

(f)加入前饋控制時輸出有功和無功功率波形

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

在0.2s時，電網(wǎng)電壓開始跌落，網(wǎng)側(cè)負載電流會發(fā)生波動，系統(tǒng)電流也會發(fā)生波形，如圖5(a-f)所示，交流電壓的跌落會引起直流電壓的震蕩，直流電容電壓也跟著發(fā)生震蕩，采用小信號前饋補償控制策略后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，直流側(cè)電容電壓凹陷明顯緩和，且震蕩幅值明顯減小，網(wǎng)側(cè)變流器控制電容電壓穩(wěn)定在700V，在幾個周期內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定.在0.6s時，當系統(tǒng)擾動消除時，系統(tǒng)電流會有一個更為明顯的震蕩，直流母線電壓也會發(fā)生震蕩，其幅度比系統(tǒng)電壓跌落初時更為劇烈；加入前饋控制時也使電容更快的恢復(fù)到正常值.在系統(tǒng)電壓跌落期間，風力電機發(fā)出的無功功率為正，說明風機可以為系統(tǒng)提供無功功率，幫助系統(tǒng)電壓恢復(fù)，加入前饋控制時，系統(tǒng)的功率傳輸波動更為平穩(wěn)，尤其是在0.6s系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，系統(tǒng)的功率傳輸很快可以恢復(fù)正常.可見，前饋控制器的存在使系統(tǒng)遭遇電網(wǎng)電壓跌落或負載電流擾動時，對母線電壓波動有很好的抑制效果，明顯提高了風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力.

4 結(jié)束語

本文提出的前饋電流補償控制策略，前饋信號包含了電網(wǎng)電壓和負載電流信息，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或負載電流發(fā)生突變時，能迅速給出電流內(nèi)環(huán)參考指令，消除直流側(cè)電容電壓與設(shè)定值的偏差，通過快速調(diào)節(jié)進線電流，控制電容兩端傳送功率，使得系統(tǒng)輸入和輸出功率平衡，保證直流電容電壓穩(wěn)定，避免風電系統(tǒng)對其充電，增強了風電并網(wǎng)的抗干擾性.通過仿真驗證，本文所提策略可以有效地抑制電網(wǎng)電壓以及負載電流對直流側(cè)電容電壓帶來的擾動，并能發(fā)出一定的無功功率幫助系統(tǒng)電壓恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，增強了整個系統(tǒng)的魯棒性.

[1] 孫元章, 吳俊, 李國杰. 風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(20):55-62.

[2]FLANNERYPS,VENKATARAMANANG.AFaultTolerantDoublyFedInductionGeneratorWindTurbineUsingaParallelGridSideRectifierandSeriesGridSideConverter[J].IEEETransactionsonPowerElectronics, 2008, 23(3):1 126-1 135.

[3]夏玲玲, 劉宜成, 劉欣燚. 永磁同步風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略研究[J]. 計算機仿真, 2014, 31(11):113-116.

[4]楊恩星, 仇志凌, 陳國柱,等. 基于載波移相并聯(lián)的直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2009(21):8-13.

[5]徐鳳星, 劉連根, 盛建科,等. 雙饋風力發(fā)電機網(wǎng)側(cè)變流器的一種新型并網(wǎng)控制策略[J]. 電氣傳動, 2010, 40(2):18-21.

[6]鄧慶偉, 劉穩(wěn), 杜清潭,等. 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制策略研究[J]. 電氣傳動, 2014, 44(1):31-35.

[7]周羽生, 鄭劍武, 向軍,等. 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2014, 26(4):25-29.

[8]鄭翔宇, 沈渭程, 李誠,等. 直驅(qū)風機低電壓穿越控制技術(shù)研究及實測驗證[J]. 中國電力, 2013, 46(11):100-104.

[9]李建林, 許洪華. 風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行特性[M]. 北京：機械工業(yè)出版,2008:103-128.

[10]林飛, 杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M]. 北京：中國電力出版社,2009:289-294.

(編輯：劉寶江)

Control strategy research of grid side converter based on load current feedforward compensation

LIANG Shi-lin，MA Li-xiu，ZHAO Yong，MA Yi-ming

(School of Electrical and Electronic Engineering，Shangdong University of Technology, Zibo 255049, China)

The grid side converter of wind power generation system as the intermediate link is mainly used to transmit power, improving the quality of power transmission, and ensure the bus voltage keep stable is the key to the stability of wind power system. When the power grid is disturbed, it can control the converter response quickly and keep the power balance, so that the grid connected system can be kept stable.We put forward a load current feedforward control strategy, which based on the principle of balance of power by combining with the advantages of feedforward and feedback and using the small signal analysis method. In order to guarantee the stability of DC voltage,we easy the energy imbalance for wind power system,offset from the system fault disturbance, and introduce load current feedforward.According to the system simulation waveforms, the feedforward compensation strategy is proposed, which not only helps to alleviate the transient fluctuation of the DC side voltage, but also helps the system to restore the steady state operation.

wind power generation; grid side converter; feedforward control; small signal analysis

2016-07-20

梁世林，男，136367161@qq.com; 通信作者:馬立修，男，55722002@qq.com

1672-6197(2017)03-0015-05

TM

A