基于多相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容錯(cuò)控制策略研究

周詩(shī)嘉，楊光源，彭光強(qiáng)，武霽陽(yáng)，辛清明

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663)

0 引言

能源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，隨著化石能源日益衰竭，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，探索一條能源可持續(xù)的發(fā)展道路迫在眉睫。近年來(lái)，風(fēng)能作為一種可再生能源，具有安全、清潔、儲(chǔ)量豐富、應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟的特點(diǎn)，其增長(zhǎng)速度超過(guò)了所有其他可再生能源[1-3]。在中國(guó)、美國(guó)和歐洲等部分地區(qū)，風(fēng)電已成為重要和決定性的能源[4-5]。

多相電機(jī)具有低壓大功率輸出、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、容錯(cuò)性高等優(yōu)勢(shì)[6]，特別適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域[7-10]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)多相電機(jī)的研究多集中艦艇、電動(dòng)汽車(chē)等驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，但將多相電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域卻鮮有研究。

多相電機(jī)的高可靠性是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。復(fù)雜工況下，針對(duì)多相電機(jī)可能產(chǎn)生的故障設(shè)計(jì)相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略，使其能夠帶故障運(yùn)行成為多相電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要議題。目前，多相電機(jī)常見(jiàn)故障大致可以分為3類(lèi)：傳感器故障、功率變換器故障和電機(jī)繞組故障[11]。對(duì)于傳感器故障，可以采用傳感器冗余或是狀態(tài)觀測(cè)器代替?zhèn)鞲衅餍盘?hào)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制[12]。變流器故障是指功率開(kāi)關(guān)管發(fā)生直通或開(kāi)路故障，大多數(shù)處理辦法是將其視為缺相故障進(jìn)行處理。繞組故障中的開(kāi)路故障和短路故障也都可以轉(zhuǎn)化為缺相故障。對(duì)于缺相故障，其容錯(cuò)控制思想大多基于故障前后磁動(dòng)勢(shì)不變?cè)瓌t和轉(zhuǎn)矩不變?cè)瓌t對(duì)非故障相電流進(jìn)行重構(gòu)。文獻(xiàn)[13]對(duì)一相開(kāi)路雙三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，采用定子銅耗最小矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)缺相狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]以限制繞組最大輸出電流作為約束條件，提出了基于分組控制方式的容錯(cuò)控制策略，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切除故障單元，電機(jī)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的降額運(yùn)行。

基于以上研究，本文提出多相直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)三相橋式不控整流器以及隔離型DC/DC變流器，經(jīng)串聯(lián)型半橋子模塊并入高壓直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該串聯(lián)型半橋子模塊與單相模塊化多電平變流器（modular multi-level converter,MMC）的結(jié)構(gòu)相同[15-18]。研究其控制策略，特別是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)隔離型DC/DC變流器開(kāi)路故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)能量傳輸機(jī)理進(jìn)行分析?；谧畲箫L(fēng)能捕獲以及機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)能量傳輸平衡的原則，對(duì)各套三相橋式不控整流器的輸出電流參考值進(jìn)行重新整定，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制以及容錯(cuò)控制；采用均流控制器和子模塊電容電壓反饋控制器實(shí)現(xiàn)正常相輸出功率均衡，避免變流器過(guò)流。最終，確保變流器故障下，系統(tǒng)兩側(cè)功率平衡以及各并聯(lián)隔離型DC/DC變流器功率平均分配，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 多相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于多相直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。以18相為例，多相直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)包含6套三相繞組，采用不對(duì)稱(chēng)的繞組連接方式，2套相鄰的三相繞組之間互差10°電角度，可抑制諧波磁動(dòng)勢(shì)。由于不對(duì)稱(chēng)繞組多相電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可將每套三相繞組視為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)三相電機(jī)，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)渲?，將各套三相繞組分別與一個(gè)三相橋式不控整流器的輸入端相連，每個(gè)三相橋式不控整流器輸出端后接N個(gè)輸入端并聯(lián)的隔離型H橋DC/DC變流器，每個(gè)DC/DC變流器的輸出端與一個(gè)MMC半橋子模塊相連，所有的MMC半橋子模塊和一個(gè)電感L依次串聯(lián)。該串聯(lián)電路的輸出端與高壓直流電網(wǎng)相連，并聯(lián)的DC/DC變流器個(gè)數(shù)N由高壓直流電網(wǎng)的電壓Udc、多相風(fēng)機(jī)的相數(shù)nphase和三相橋式不控整流器直流側(cè)輸出電壓Uo決定，可以表示為

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of wind power system

此方法僅適用于相數(shù)為3的整數(shù)倍的情況。為提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，高壓直流電網(wǎng)側(cè)電壓可以設(shè)為所有MMC半橋子模塊電壓之和的5/6倍，在某一套三相繞組發(fā)生故障后仍能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2 控制策略

2.1 MPPT控制

采用MPPT控制的目的是為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的有效捕獲和利用[19-21]。傳統(tǒng)三相電機(jī)實(shí)現(xiàn)MPPT控制按照后接變流器類(lèi)型不同可分為矢量控制和控制DC/DC變流器占空比的方式。對(duì)于多相直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，若對(duì)所有相進(jìn)行統(tǒng)一的矢量控制，矢量數(shù)量急劇增大，控制變得復(fù)雜；若分成多套三相繞組進(jìn)行獨(dú)立的矢量控制，則必須解決各套之間的同步、磁鏈耦合問(wèn)題。故本文將傳統(tǒng)三相電機(jī)后接二極管整流器和DC/DC變流器結(jié)構(gòu)的MPPT控制應(yīng)用于多相電機(jī)中，通過(guò)控制三相橋式不控整流器的輸出電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)DC/DC變流器占空比以控制端電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的目的。

為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，應(yīng)保證葉尖速比為其最優(yōu)值，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值ωref為

式中：R為風(fēng)機(jī)葉片半徑；v為當(dāng)前風(fēng)速；λopt為最佳葉尖速比。

當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)速參考值低時(shí)，需要降低電機(jī)輸出電流以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，反之提高電機(jī)輸出電流使轉(zhuǎn)速降低，因此，將ωref與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω作差后通過(guò)轉(zhuǎn)速PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到電流參考值iMPPT為

式中：KP1、KI1分別為轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

2.2 容錯(cuò)控制

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，第m套三相橋式不控整流器輸出側(cè)電流參考值im_ref為

式中：m=1,2,···,6。

當(dāng)多相電機(jī)某一套繞組連接的隔離型H橋DC/DC變流器發(fā)生故障時(shí)，該隔離型H橋DC/DC變流器被切除，輸入電流即為0，繼續(xù)使用正常工作狀態(tài)的電流分配機(jī)制，則風(fēng)機(jī)側(cè)傳輸?shù)骄W(wǎng)側(cè)的功率會(huì)減少。因此，為保證風(fēng)能的最大功率追蹤，機(jī)網(wǎng)側(cè)能量平衡，將故障隔離型H橋DC/DC變流器負(fù)責(zé)傳輸?shù)倪@部分能量平均分配給其余的6N-1個(gè)正常的隔離型H橋DC/DC變流器。由于隔離型H橋DC/DC變流器都是并聯(lián)在三相橋式不控整流器輸出端，傳輸?shù)墓β屎土鹘?jīng)隔離型H橋DC/DC變流器的電流成正比。因此，以18相風(fēng)機(jī)帶18個(gè)子模塊為例，假設(shè)第一套繞組的第一個(gè)隔離型H橋DC/DC變流器發(fā)生故障，分別對(duì)故障和正常隔離型H橋DC/DC變流器所連的三相橋式不控整流器輸出側(cè)電流參考值進(jìn)行如下設(shè)定。

檢測(cè)三相橋式不控整流器輸出電流im，將im_ref與im作差后通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到第m套繞組連接的第j個(gè)隔離型H橋DC/DC變流器（j=1,2,···,N）DCmj調(diào)制信號(hào)的初始量Dm為

式中：KP2、KI2分別為三相橋式不控整流器輸出電流PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

2.3 均流控制

均流控制的目的是使每一套三相橋式不控整流器輸出側(cè)電流在N個(gè)并聯(lián)隔離型H橋DC/DC變流器之間平均分配，每個(gè)變流器傳輸功率相同，散熱均勻。

分別檢測(cè)隔離型H橋DC/DC變流器DCmj的輸入電流imj，系統(tǒng)正常工作還有故障情況下隔離型H橋DC/DC變流器的電流平均值計(jì)為

將iave和imj送入均流PI調(diào)節(jié)器，得到DCmj調(diào)制信號(hào)的第一附加量ΔDmj_1為

式中：KP3、KI3分別為均流PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

檢測(cè)隔離型H橋DC/DC變流器輸出端連接的子模塊電容電壓值Umj，將子模塊電容電壓參考值Uc_ref與Umj作差，差值送入均壓P調(diào)節(jié)器，得到DCmj調(diào)制信號(hào)的第二附加量ΔDmj_2為

式中：KP4為均壓P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。

將DCmj調(diào)制信號(hào)的初始量Dm、第一附加量ΔDmj_1、第二附加量ΔDmj_2相加起來(lái)可以得到DCmj的調(diào)制信號(hào)Dmj為

將Dmj與三角載波比較后得到DCmj的觸發(fā)脈沖信號(hào)。

2.4 直流并網(wǎng)控制

系統(tǒng)穩(wěn)定的前提是保證輸入輸出功率平衡，直流并網(wǎng)中的可控量為并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流，其中并網(wǎng)電壓一般為確定值，因此并網(wǎng)電流與輸出功率呈比例關(guān)系，可通過(guò)控制并網(wǎng)電流以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。在能量從機(jī)側(cè)傳輸?shù)礁邏褐绷鱾?cè)的過(guò)程中，子模塊電容起到了能量緩存的作用，各子模塊電容的充放電過(guò)程表征了能量從機(jī)側(cè)傳輸?shù)街绷麟娋W(wǎng)側(cè)的過(guò)程，因此考慮以子模塊電容電壓為外環(huán)目標(biāo)、并網(wǎng)電流為內(nèi)環(huán)目標(biāo)的控制策略。當(dāng)子模塊電容電壓平均值大于其額定值時(shí)，應(yīng)控制并網(wǎng)電流增大，向高壓直流電網(wǎng)側(cè)傳輸更多的能量，反之應(yīng)降低并網(wǎng)電流以減少向高壓直流電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)哪芰俊?/p>

檢測(cè)子模塊電容電壓Uci，計(jì)算子模塊電容電壓平均值Uc_ave為

將Uc_ref與Uc_ave作差后通過(guò)穩(wěn)壓PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到并網(wǎng)電流參考值idc_ref為

式中：KP5和KI5分別為穩(wěn)壓PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

檢測(cè)并網(wǎng)電流idc，將idc_ref與idc作差后通過(guò)并網(wǎng)電流PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到并網(wǎng)電壓參考值Udc_ref為

式中：KP6和KI6分別為并網(wǎng)電流PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。對(duì)Udc_ref采用最近電平逼近的方式進(jìn)行調(diào)制，得到各半橋子模塊的觸發(fā)脈沖信號(hào)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of wind power system

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提控制方法的可行性，在Matlab/Simulink中搭建基于多相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 System simulation parameters

3.1 正常工況

在額定風(fēng)速10.2 m/s的情況下，正常工況仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 額定工況仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results under rated conditions

圖3a)為直流側(cè)電壓波形，可以看出波形呈階躍型，電壓為12.02～12.03 kV，這意味著投入的子模塊數(shù)量為12～13。當(dāng)并網(wǎng)電流大于其參考值時(shí)，投入12個(gè)子模塊以降低傳輸電流，反之，投入13個(gè)子模塊以增大并網(wǎng)電流?？紤]到電流變化時(shí)的電感電動(dòng)勢(shì)，投入13個(gè)子模塊時(shí)，并網(wǎng)電壓會(huì)略低于這13個(gè)子模塊電容電壓之和，導(dǎo)通12個(gè)子模塊時(shí)，并網(wǎng)電壓會(huì)略高于這12個(gè)子模塊電容電壓之和。直流側(cè)電壓波形略大于額定值12 kV，這是考慮到直流輸電過(guò)程中，輸電線(xiàn)路上會(huì)產(chǎn)生小部分壓降。直流側(cè)電流波形如圖3b)所示，其幅值穩(wěn)定于161 A，紋波在0.25%之內(nèi)，波動(dòng)較小。網(wǎng)側(cè)吸收功率為1.936 MW，傳輸效率為96.8%。由于本拓?fù)涫侵绷鞑⒕W(wǎng)，系統(tǒng)的無(wú)功主要由電壓紋波和電流紋波帶來(lái)，從圖3b)中還可看出，無(wú)功大約為800 MV·A，占總?cè)萘?.04%，可忽略不計(jì)。

圖3c)為18相直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)第一套三相繞組的線(xiàn)電壓波形，可以看出波形正弦特性較好，其幅值約為976 V，有效值約為690 V，基波頻率為3.5 Hz。圖3d)為MMC半橋子模塊電容電壓波形，電容電壓基本穩(wěn)定在額定值1000 V，紋波大小為8%。

圖3e)為并聯(lián)隔離型H橋DC/DC變流器的電流波形。由圖3e)可見(jiàn)，流經(jīng)各個(gè)隔離型H橋DC/DC變流器的電流幅值相差范圍約為1 A，這得益于采用了均流控制。圖3f)為電磁轉(zhuǎn)矩波形。其幅值在 1.1075 MN·m 上下波動(dòng)，紋波小于 0.15%，紋波頻率為126 Hz，為36倍頻。這是由于系統(tǒng)采用18相電機(jī)，其定子電流低次諧波產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都相互抵消的緣故。

3.2 故障工況

為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容錯(cuò)控制策略的有效性，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行0.5 s時(shí)，將第一套變流器組中的第一個(gè)并聯(lián)隔離型H橋DC/DC變流器切除以模擬故障工況。采用提出的容錯(cuò)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 故障工況仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results under fault conditions

圖4 a)為高壓直流電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形。電壓幅值在故障前后基本不變，為12.025 kV。電流在0.5 s發(fā)生故障后稍微有所下降，幅值降低了約9 A，這是由于故障隔離型H橋DC/DC變流器突然切除引起傳輸功率的降低，大概0.1 s后電流波形回復(fù)穩(wěn)態(tài)。圖4 b)為多相直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的線(xiàn)電壓波形，發(fā)生故障后，其幅值基本保持不變。

風(fēng)能利用系數(shù)如圖4 c)所示，由于故障造成變流器傳輸?shù)墓β视兴▌?dòng)，風(fēng)能利用系數(shù)也在0.48附近微小波動(dòng)，由于紋波相對(duì)較小，對(duì)系統(tǒng)的影響幾乎可以忽略。圖4 d)所示為故障下第一套變流器組的隔離型H橋DC/DC變流器電流。由于第一個(gè)隔離型H橋DC/DC變流器被切除，因此其輸入電流i11減小為0，其他正常工作的隔離型H橋DC/DC變流器電流幅值從108 A增加到114 A，這是由于使用容錯(cuò)控制后，故障變流器需傳輸?shù)墓β时痪值搅苏９ぷ髯兞髌魃稀?/p>

電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖4 e)所示，電磁轉(zhuǎn)矩紋波在故障后輕微增大，這是因?yàn)楣收献兞髌鞅磺谐?，故障電流映射到繞組電路引起，但由于單套變流器繞組的電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于總的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，故障電流引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也相對(duì)較小。圖4 f)為子模塊電容電壓，正常隔離型H橋DC/DC變流器連接的子模塊電容電壓在故障前后都穩(wěn)定于參考值，故障隔離型H橋DC/DC變流器連接的子模塊電容電壓在故障后基本穩(wěn)定于960 V，這是由于當(dāng)其電壓較大時(shí)，根據(jù)最近電平調(diào)制的原理，子模塊投入進(jìn)行放電，當(dāng)其降低到最小值時(shí)會(huì)保持切除狀態(tài)，因此穩(wěn)定于960 V。

4 結(jié)論

本文提出了一種多相直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)三相橋式不控整流器和隔離型H橋DC/DC變流器并入高壓直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)系統(tǒng)中并聯(lián)隔離型H橋DC/DC變流器發(fā)生故障的問(wèn)題，通過(guò)分析機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)能量傳輸機(jī)理，對(duì)故障后的三相不控整流器的輸出電流參考值進(jìn)行了重新整定，提出了相應(yīng)的容錯(cuò)控制方法。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在故障工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)仿真對(duì)系統(tǒng)故障工況下容錯(cuò)控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。