风电系统变流器控制策略研究
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风电系统变流器控制策略研究
摘 要：電力电子变流器作为风力发电与电网的接口，作用非常重要，既要对风力发电机进行控制，又要向电网输送优质电能，还要实现低电压穿越等功能。随着风电场的规模化并网接入，风力发电随机性、间歇性强、惯性较弱、电能质量差等问题开始逐渐暴露。因此，如何兼容风电变流器对效率和电能质量的要求，成为目前学术界和工业界的研究热点。本文就风电系统变流器控制策略进行了分析。
关键词：风电系统；变流器；控制
引言
随着风力发电技术的发展，直驱风电机组由于发电成本低、效率高等优点成为风电系统新的发展方向。作为风电系统并网的唯一通道，变流器控制技术对于风电系统至关重要。风力发电变流器作为风力发电与微网的接口设备，被广泛用于直流微网和交流微网中，近年来其容量及效率要求不断提升。如何优化调制方式，以提高系统效率，减小电流谐波，是大功率风电变流系统的核心技术之一。针对风电变流器宽频率、宽电压运行范围的特点，分析直驱风电变流器采用断续脉宽调制策略下的损耗和谐波性能，发现不同工况下主要关注指标不同，轻载时电能质量恶劣、开关损耗低，而重载时开关损耗严重、电能质量好；但是常用调制方式很难兼顾。
1 背靠背双PWM 全功率变流器
直驱风电系统的背靠背双PWM 全功率变流器的结构图如图1 所示。两个三相电压型变流器电路构成，发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧PWM 变流器通过调节定子侧的d 轴和q 轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率（无功功率设定值为0），使发电机运行在变速恒频状态，额定风速下具有最大风能捕获能力；网侧PWM 变流器通过调节网侧d 轴和q 轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。此外提高注入电网的电能质量。
图1 背靠背双PWM 全功率变流器的结构图
2机侧变流器的控制策略
机侧变流器的主要目的是实现最大功率跟踪，根据叶尖速比算出最佳转速，由最佳转速的指令值来调节发电机的电磁转矩，实现转速控制，进而实现最大风能捕获。
对机侧变流器的控制实际上是对发电机转速的控制，通过对发电机转矩的控制来调解发电机转速的变化。对电机转矩的控制，实质是对发电机交、直轴电流
的控制。对发电机转矩的控制方法，目前主要有基于转子磁场定向的矢量控制和直接转矩控制等。矢量控制技术成熟，广泛应用在交直流电机控制上，效果明显。直接转矩控制技术目前还不太成熟，会产生转矩脉动，当前的研究工作主要是基于转矩脉动的控制上，应用较少典型控制有叶尖速比法、功率反馈法、登山搜索法等。
2.1叶尖速比法
叶尖速比不但影响叶片自身的特性，还会影响风力发电机组的运行曲线，从而影响发电量。现代兆瓦级水平轴风力发电机组，基本都是采用变速变桨方案。在额定风速以下的大部分范围，通过控制电机的扭矩和转速关系，调节风轮转速，使风轮转速与风速成正比，使机组运行在设计叶尖速比下，从而最大程度地捕获风能。
2.2功率反馈法
功率反馈法需要转速和最大功率之间的准确关系。一些算法基于风速测量，用风速代替风机转速；有些控制算法采用模糊控制；还有利用神经元算法来记录修正这些关系的。但是，要找出风机转速和最大功率之间的准确关系是很困难的。
2.3登山搜索法
登山搜索法一般结合到机侧变流器控制策略中，也又通过网侧变流器控制间接的实现。登山搜索法的优势是控制算法与风机及发电机特性无关，因此对变速风机而言，不需要预先计算或实验，可以方便地控制。因为不需要风速测量，构成控制器相对简单、准确。对小惯量系统直接可以用，较大惯量系统需要结合其他最大功率点跟踪控制法或改进后胜任动态响应的要求。
3网侧变流器控制
3.1重复控制
重复控制又称为内模控制，在理论上可以对谐波信号进行无差控制，其原理是重复内模对谐波信号以电网周期为步长进行积分，提供高增益。由于谐波信号具有周期重复的特性，因此可以采用基于周期延时的超前环节抵消开环系统的相位滞后，满足稳定性要求。重复控制的最大优点是可以对全频段谐波进行高精度控制，而且系统结构简单、实现容易，非常适合于谐波应用场合。其缺点是存在一个电网周期的延时，在指令突变的第一个周期内系统相当于开环控制；控制器需要对误差进行逐周期修正，动态过程较长，并且对电网电压的突变也缺乏快速响应的能力。在实际系统中，通常都是将重复控制和某种瞬时值反馈控制相结合，以改善动态性能。
3.2比例谐振控制
比例谐振控制和重复控制有类似之处，控制器都可对谐波信号提供高增益、且都属于内模控制。两者的区别是：谐振控制器只能对某个特定谐波进行无差控制，若需要对若干个谐波信号进行跟踪就需要对应数量的控制器，导致系统结构复杂、实现困难；而重复控制只需一个内模就可以对所有谐波进行处理，系统结构简洁。谐振控制在数字实现的过程中对程序计算精度要求较高，并且需要针对电网频率的变化实时调整控制器参数，这些都增加了实际应用的难度。相对重复控制，由于不需要周期延迟环节，谐振控制在动态响应方面具有一定优势。总体而言，谐振控制不失为高精度谐波跟踪的一个可选方案，并得到了一定的实际应用。
3.3比例积分谐振控制
比例积分谐振控制仅需在按平衡电网电压条件设计的传统矢量控制用电流Pl 调节器的基础上嵌入了一个二倍电网频率的广义交流积分器，以此实现正转同步速旋转坐标系中对正序直流量与负序交流量的统一、无静差调节。该方案调节器无需实施电流的正、负序分解，从而保证了控制系统优异的动态性能和充分的稳定性。该方案在电网电压平衡、不平衡条件下均能满足控制系统的需求，因而在实际风电系统控制中具有相当实用的工程应用价值。
4 低电压穿越控制
直驱风电系统低电压穿越方面的文献大部分针对三相对称电网故障，但是电网中不对称故障占大多数，因此近来关于不对称故障穿越的研究也在增多，常规变流器矢量控制下电压、电流只包含正序分量，不对称故障时还包含负序分量，仍采用常规控制会造成功率和直流侧电压波动，因此随着对低电压穿越功能要求的提高，针对不对称故障需要采取有别于常规控制的策略，如采用正负序分解和直接功率控制等方法。当电网不平衡时，由于负序电流的存在，使网侧变流器交流侧电流不对称，给系统引入低次谐波，从而影响运行性能。基本思想是将不对称系统分解成正、负对称分量实行解耦控制。为此，研究人员提出了多种不平衡工况控制策略以改进变流器运行性能，如双电流内环控制、非线性控制、输入输出谐波消除控制和最小拍控制等。
结束语
随着风力发电装机容量的不断增大，对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了新的规则，对并网风力发电提出了新的要求，这些要求包括有功、无功功率控制，电压、频率控制，电能质量控制，故障穿越功能等。这些要求使风力发电逐渐承担起类似传统火力发电场的功能，在电网故障如电压跌落时保持并网，快速向电网提供有功和无功功率支持，帮助电网电压及频率的恢复及稳定。
参考文献
[1]王美，谭阳红，何怡刚，艾慧.永磁直驱风电系统变流器开路故障诊断新方法[J].太阳能学报，2017，38（12）：3392-3398.
[2]王美.永磁直驱式风电系统变流器故障诊断方法[D].湖南大学，2017.
