孙敬华
北京动力源科技股份有限公司 北京 100070
摘要：随着人们生活水平的提升，对能源的需求量提高。风力发电作为可再生清洁能源的一种，近年来在国内电网中所占比重不断增加，而风电机组的低电压穿越能力密切影响着机组的安全稳定运行。现针对直驱型全功率风电变流器，在增加chopper电路及改进原有控制策略的基础上，成功实现了变流器的低电压穿越功能以及对电网的动态无功支撑；并开发样机进行试验，验证了该方案的有效性和合理性。
关键词：直驱；低电压穿越；chopper；无功支撑
引言
近年来随着环境问题日益突出,可再生能源的开发和利用也逐渐提上日程,太阳能的利用逐渐深入。目前,太阳能的利用形式很多,然而太阳能发电是太阳能可以规模利用的方式。太阳能光伏发电系统是太阳能发电中应用较多的,也是本文研究的重点。光伏发电系统包括独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统和混合型光伏发电系统。本文研究光伏发电系统的低电压穿越,因此主要对并网型光伏发电系统进行详细研究。光伏发电系统包括光伏电池和并网变流器部分,光伏电池的作用是将光能转换成直流电能,要将其并人电网,必须将其转化成交流电能。光伏发电系统的控制重点是并网变流器的控制。其并网变流器又可分为单级式逆变器和多级式逆变器,多级式逆变器采用的电力电子器件比较多,经济性较差。单级逆变结构要求逆变器能同时实现逆变、盯控制等多重控制,其控制较复杂,本文主要针对单级式逆变器结构进行研究。单级式逆变器采用传统的器件构成的变流器。目前,的控制方法有很多华。对太阳能并网变流器实现的方法进行总结,然而所有方法均采用外加辅助装备,经济性比较低。提出了在正、负同步旋转坐标下,电网电压不对称时的矢量控制策略,虽然文献对有功功率进行了有效控制,却不能发出无功功率,不利于故障的恢复。文献一分别研究了风力发电系统中的变流器采用增加硬件设备来提高系统的故障穿越能力。
1并网逆变器的数学模型及控制策略
对于直驱型风力发电而言，机组通过网侧逆变器与电网连接，网侧及机侧变流器可通过频率及电压解耦，电网电压的突降并不会对永磁发电机及机侧变流器产生直接影响。因此，全功率变流器的拓扑图可简化为如图1所示。
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由式（1）（2）可知，引入状态反馈ωgLiq与-ωgLid可实现有功电流id与无功电流iq解耦，控制id即为控制有功功率，同样通过控制iq即可控制无功功率。而由式（3）可知对直流侧电压的控制同样也可以通过对id的控制来完成，因此，将PI控制器引入式（3）即可获得合适的有功电流指令id*。因此，并网逆变器控制策略采取独立有功、无功控制。其中，有功通道外环控制直流电压、内环控制注入电网有功电流；而无功通道内环控制注入电网的无功电流，外环控制注入无功功率的大小。控制框图如图2所示。
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2风电并网系统低电压穿越电路的设计与控制
本文设计的可消耗能量的Crowbar电路结构为电阻和IGBT串联，设置在直流母线上，一般称为风电机组并网制动单元。并网系统变流器一般为三电平电路，本文设计的接线方式为接在正母线与中点O之间和中点O与负母线之间，此种接线方式的优点为电路的IGBT和变流器相同，方便控制策略的编程。如图1所示，制动单元Crowbar电路在电网波动时直流母线电压升高时启动，开关管导通，中间电容通过电阻放电，此时直流母线上的多余能量释放电压降低，当电压恢复到正常状态时，开关管关断，控制系统通过控制开关管的状态就可以维持直流母线电压稳定，保证风机不离网运行，达到低电压穿越的目的。在风电并网系统中消耗能量的Crowbar电路结构比较简单，控制方便，但由于电网电压的不确定性，能否选取合适的电路原件参数十分关键，其中考虑的因素有以下几点。首先当开关管关断时，电路中的二极管为电阻中含有的杂散电感提供续流通路，消耗能量的Crowbar电路此时接在正负母线两端，风电机组还处于满发状态，而电网侧的能量吸收系统只能接受电压波动后的额定功率，此时的功率差完全依靠耗能电路消耗掉。此时电阻的选择至关重要，过大的阻值不能释放多余的能量。而电阻阻值太小，ＲC电路的放电时间过短，从而造成开关管的开关频率过大，同时增大了器件损耗。本文设计的原则为按电网电压下降到额定电压20%，消耗能量的Crowbar电路的瞬时吸收最大功率为Pmax=0．4×P，电路中的电流应大于中间直流电流的纹波峰值。
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3基于ＲT-LAB风电并网系统低电压穿越仿真设计和研究
在Simulink中搭建满足要求的模块，其中风电并网系统整体模型在ＲT-LAB实时仿真软件中搭建。SM_wg模块中封装直驱永磁同步风力发电并网系统，包括风力机、风电机组、不控整流器、Boost升压斩波电路、DC/DC变换器、超级电容器、逆变器和单相交流电网;SC_disp模块中封装输出波形，主要有转矩、风电机组输出三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、直流侧电压电流和风电机组输出功率。
风力机和直驱永磁同步发电机模型输出三相交流电经整流器变为直流电，Boost电路通过控制风电系统输出电压等于最大输出功率工作点电压，实现风电系统MPPT控制;后级DC/AC为两电平逆变器，通过PI控制使直流母线电压恒定在固定值;最后输出交流电并入到电网中。由于风电系统只负责向电网输出最大功率，因而需要大电网提供电压和频率的支撑，系统需要在联网状态下进行仿真。模型中变换器等电力电子模块都由ＲT-LAB软件自带的电力电子模块替代，加快仿真速度。SC_disp模块的输入量经过OpComm模块与示波器连接，进而使示波器可以实时显示电路工况。
结语
本文对直驱风电并网变流器模型进行了理论分析，在基于电网电压定向的矢量控制基础上，在主回路增加了chopper电路，在计算通道中增加了对电网电压的无功支撑控制环节，实现了并网逆变器低电压穿越及无功支撑功能，并成功通过试验样机验证了文中所提方法的正确性及可行性。
参考文献
[1]金一丁，宋强，刘文华.直驱永磁同步风电机组的建模与仿真分析[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（5）：47-51.
[2]郑荣美，朱凌，张丽荣.不对称故障下永磁风电系统低电压穿越技术[J].电测与仪表，2013（3）：20-23.
[3]翦志强，司徒琴．三相电压不对称跌落光伏并网逆变器控制方法［J］．电力系统保护与控制，2015，43(14):126-130．
[4]黄旭召，谢源，王致杰，等．基于PI－PＲ控制的光伏系统低电压穿越技术的研究［J］．电器与能效管理技术，2015(23):57-62．
[5]何舜，张建文，蔡旭，等．风电变流器的ＲT-LAB硬件在环仿真系统设计与实现［J］．电力系统保护与控制，2013，41(23):43-48．