徐其惠 曹贝贞 苏昭晖

（1.东汽投资发展有限公司；2.东方汽轮机有限公司，四川 德阳， 618000）

1 概述

近年来，我国风力发电发展迅速，装机容量大幅增加，对电网的稳定性影响也越来越大，风力发电对电网的适应性问题也越来越尖锐，电网电压不平衡就是一个很明显的例子。在电力机车较多的区域，如三门峡或偏僻的地区电网，风力发电机组需要在电网电压不平衡的情况下正常并网发电，避免由于电网电压不平衡导致的三相电流不对称和电机发热等问题。

无论双馈风力发电系统还是直驱风力发电系统，网侧变流器都是直接连接电网。电网电压不平衡时，网侧变换器交流侧存在负序电流，造成三相电流不对称，直流侧存在一个两倍于工频的波动，同时直流电压波动会影响交流输入电流，使之产生三次谐波，这会污染电网，危害电网上的其他用电设备[1]。

本文根据实际风电场运行的需要，提出一种在不改变常规风电变流器控制的基础上，附加负序电流抑制算法的控制方法，较好地解决了实际风电机组由于电流不平衡保护停机的问题，同时不影响正常的风电机组控制，并在实际风电场进行了典型应用，可以对实际风电机组进行直接改造，具有较强的现实意义。

2 电网电压不平衡时网侧变流器控制算法

为简化分析，我们只考虑电网正序、负序基波电压的作用，且假设网侧变流器的输入电压只含正序基波分量，则网侧变流器交流侧电路可以分解成正序、负序回路，如图1所示：

图1 三相电压不平衡时网侧变流器等效电路

其中，eap、ebp、ecp分别为电网三相正序电压，Vap、Vbp、Vcp分别为网侧变流器输入正序电压，ean、ebn、ecn分别为电网三相负序电压，L、R分别为网侧变流器输入电抗器参数。由于MW级风电变流器输入电抗器很小 （一般小于0.5mH），导致负序电流很大，严重时将导致网侧变流器过流，甚至烧坏网侧变流器装置。

近年来国内外学者进行了大量研究并提出了许多电网不平衡时变流器的控制方法，如：抑制交流侧负序电流的控制方法[1]，负序电流前馈的控制方法[1]，双电流闭环的不平衡控制方法[2]，基于预测电流的三相不平衡的控制策略[3]，基于自抗扰控制的负序抑制算法[4]等等，各有优缺点，在此不再赘述。目前研究较多的是双电流闭环的不平衡控制方法，举例说明。

双电流闭环的不平衡控制方法首先将电网电压和网侧电流进行正负序分离，然后针对正序和负序分别进行解耦控制以达到网侧变流器控制的目的，具体控制原理框图见图2。

图2 双电流闭环的不平衡控制框图

该方法从理论上可以完全消除交流侧电压波动，实现对电流的无差跟踪，其实质是向网侧电流中增加适当的负序电流来满足对交流电压控制精度的要求。该方法针对正负序分量分别控制，可以做到正负序完全分离，互不影响，但控制复杂，增大了调试难度，不利于直接改造现有的变流器。

图3 附加负序电流抑制算法控制框图

在以往研究的基础上，考虑变流器软件运行效率和硬件处理能力的限制，提出附加负序电流抑制算法的网侧变流器控制方法。

该方法在常规网侧变流器控制的基础上，使用瞬时对称分量法[5]提取出网侧电流的负序分量，然后针对负序电流的dq轴分量分别进行PI调节，最终达到抑制负序电流的目的。

该方法不影响常规的变流器控制和PI参数调节，只需要附加负序电流抑制算法即可消除负序电流的影响，适用于电压不平衡的风电场变流器改造，也适用于常规变流器，在软件运行效率变化不大的情况下，有效地避免电网电压不平衡导致的风机控制问题。

3 仿真及结果

根据实际1.5MW双馈风电变流器系统参数进行仿真，电网线电压690VAC，电抗器0.5mH，直流链电容15600μF，电压基值400V，电流基值1000A。使用常规网侧变流器控制算法、双闭环电流控制算法和附加负序电流抑制算法进行仿真比较，从图4中的c，d可以看出网侧电流不平衡度超过40%，主要原因是网侧变流器与电网之间阻抗较小，故较小的电网电压不平衡就会导致较大的网侧变流器电流不平衡。从图4中的b可以看出，电网电压不平衡时不采取任何处理措施的话，网侧变流器电流畸变严重，三相间幅值偏差较大，容易触发电流不平衡保护而停机。

图5为电网电压不平衡时常规网侧变流器控制算法下的负序dq轴反馈电流值，从中也可以看出实际网侧变流器电流中负序成分较大。

图5 电网电压不平衡时常规网侧变流器控制波形2

图6为相同的电网电压不平衡情况下采用正负序双闭环电流控制方法处理所得波形数据，从图6（b）可以看出经过控制调节后三相电流趋近于对称；从图6（d）对比图4（d）可以看出网侧变流器电流中负序电流成分大幅减小，负序电流得到了较好的抑制。

图6 电网电压不平衡时双电流闭环控制方法波形1

图7为相同的电网电压不平衡情况下采用正负序双闭环电流控制方法处理所得负序dq轴反馈电流波形，与图5比较可以看出网侧变流器负序dq轴电流明显减小。

图7 电网电压不平衡时双电流闭环控制方法波形2

图8为电网电压不平衡时采用附加负序电流抑制算法控制时的电压电流波形数据。从图8（b）可以看出经过控制调节后网侧变流器三相电流趋于对称；从图8（d）对比图4（d）可以看出网侧变流器电流中负序电流成分大幅减小，负序电流得到了较好的抑制；从图8和图6对比可以看出附加负序电流抑制算法控制和双电流闭环控制效果较为接近，都起到了较好的效果，但是附加负序电流抑制算法简单易实现，软件运算时间短，调节方便，尤其适用于现有风电变流器的改造。

图8 电网电压不平衡时附加负序电流控制方法波形1

图9为相同的电网电压不平衡情况下采用负序电流抑制算法处理所得负序dq轴反馈电流波形，与图5比较可以看出网侧变流器负序dq轴电流明显减小；与图7相比可以看出，附加负序电流抑制算法控制和双电流闭环控制效果较为接近，都起到了较好的效果。

图9 电网电压不平衡时附加负序电流控制方法波形2

4 结论

本文介绍了电网电压不平衡时的网侧变流器控制算法，并根据实际1.5MW风电变流器的情况进行了仿真计算，提出了一种负序电流抑制算法的网侧变流器控制方法。该方法相比于常规风电变流器控制算法而言，较好地解决了电网电压不平衡导致的网侧变流器电流不对称问题，相比于双闭环电流控制算法而言，简单易实现，控制更容易。

电网电压不平衡时附加负序电流抑制的网侧变流器控制方法已经在公司自主型1.5MW双馈风电变流器使用，并且该方法在实际风电场得到了验证，取得了较好的控制效果。

[1]张崇巍,张兴,等.PWM整流器及其控制 [M].北京：机械工业出版社，2003.10

[2]R.Pena,J.C.Clare,G.M.Asher,Doubly Fed Induction Generator Using Back-To-Back PWM Converters and Its Application to Variable Speed Wind-energy Generation,IEE Proc.B,vol.143,no.3,May 1996：231-241

[3]林资旭.变速恒频风力发电机网侧变换器在输入电压不平衡时控制技术的研究 [D].中国科学院,2006,43-46

[4]贾嵘,刘伟,徐其惠,等.电网电压不平衡时网侧变换器的自抗扰控制策略 [J].水力发电学报,2008,27(5),172-176

[5]袁旭峰,程时杰,文劲宇.改进瞬时对称分量法及其在正负序电量检测中的应用 [J].中国电机工程学报，2008,28(1)，52-58