雷为民， 苗友忠， 罗 玮， 徐燕生， 艾 冰(. 国家电网 冀北电力有限公司， 北京 00053； . 国家电网 廊坊电力有限公司， 河北 廊坊 065000)

风力发电技术

电网电压不平衡情况下双馈风力发电变流器控制*

雷为民1， 苗友忠1， 罗 玮1， 徐燕生1， 艾 冰2
(1. 国家电网 冀北电力有限公司， 北京 100053； 2. 国家电网 廊坊电力有限公司， 河北 廊坊 065000)

针对电网电压三相不平衡情况下双馈风力发电系统输出功率二倍频谐波分量带来的安全稳定问题，提出了一种以消除二倍频谐波分量为控制目标的正负序双闭环电流控制策略.建立了双馈风力发电系统网侧变流器不平衡条件下的数学模型，进而分析了二倍频谐波分量产生的机理，采用四分之一周期延时方法对正负序分量进行分离，且正负序电流单独参与运算控制来抵消功率二倍频分量.在Matlab/Simulink软件上建立了仿真系统，仿真结果表明了理论分析的正确性和提出控制策略的有效性.

双馈风力发电； 电压不平衡； 二倍频； 网侧变流器； 数学模型； 正负序分离； 电流双闭环； 仿真

作为清洁无污染、可持续利用的能源形式，风力发电以其迅猛的产业发展趋势，已成为新能源发电的一种重要利用形式[1-2].变流器是风力发电和电网的接口装置，其控制性能对并网系统的安全稳定运行具有重要作用[3-5].在一般的风电变流器控制系统中，均假定电网电压是理想的正弦标准信号，但是在实际电网中，由于线路阻抗以及外界干扰的影响，电网电压会出现不平衡现象，如何保证并网变流器在电网电压不平衡条件下正常运行是目前急需解决的关键问题[6-9].在电网发生不对称故障或不对称负载运行时都会引起电网电压的不平衡，而当电网电压处于不平衡时会导致电压电流负序分量的出现，造成变流器的网侧功率和直流侧电压出现二倍频谐波分量，这种低频波动会影响风电并网系统的安全稳定运行.针对上述问题，文献[6-7]提出了一种电网电压不平衡条件下变流器直接功率控制方法，对变流器输出的有功功率和无功功率进行直接控制，以控制输出电流达到平衡，该方法具有较大的误差且控制精度不高；文献[8]在网侧逆变器交流侧加装带通滤波器以消除电网电压中负序分量，使逆变器只在正序电压条件下实现DFIG的正常运行，在一定程度上增加了风电场的成本；文献[9]利用网侧变流器端电压的反馈控制来抑制不平衡带来的直流电压波动，该方法参考电流获取过程繁琐，不易于实现.

本文建立了双馈风力发电网侧变流器在电网电压不平衡条件下的同步坐标系数学模型，分析了系统二倍频谐波分量产生的机理，并提出了一种正负序双闭环电流单独控制策略.通过在Matlab/Simulink软件上建立双馈风力发电系统的仿真模型，对提出的控制策略进行了验证.

1 网侧变流器数学模型

图1为基于全功率并网变流器的双馈风力发电系统的网侧变流器拓扑结构图.当只考虑基波时，网侧变流器在电网电压不平衡条件下可分解为正序和负序2个数学子模型，正负序数学模型根据图1分析可得

(1)

(2)

图1 网侧变流器拓扑结构Fig.1 Topology structure of grid-side converter

2 倍频分量产生机理

在电网电压不平衡条件下，双馈风力发电并网系统的视在功率为

(3)

(4)

式中：P0、Q0为基波分量馈入电网的有功、无功功率平均值；Pc2、Ps2为有功功率余弦和正弦二倍频谐波分量；Qc2、Qs2为无功功率余弦和正弦二倍频谐波分量.结合式(3)和式(4)可以求得各个功率分量的矩阵表达式，即

(5)

由网侧变流器直流侧功率平衡可得

udcidc=P1-P2

(6)

式中：udc、idc为直流侧电容的电压和电流；P1为双馈风力发电机侧变流器的输出功率；P2为双馈风力发电网侧变流器的输入功率.

根据电容器的特性和式(4)可得功率平衡的表达式，即

Ps2sin(2ωt)

(7)

式中，C为直流侧电容.从式(7)可以看出，功率的二倍频谐波分量会引起直流侧母线电压含有二倍频谐波，造成直流侧电容的频繁充放电，影响电容的寿命，从而不利于并网系统的稳定运行.

3 抑制直流电压波动的控制策略

要消除变流器直流侧电压倍频分量带来的影响，可通过控制使P1=P0，Pc2=0，Ps2=0，则直流电压将保持不变.根据式(5)计算出并网电流正序和负序的dq轴指令分别为

(8)

(9)

另外，要单独控制正负序分量，首先必须得有效提取反馈信号的正序和负序分量，本文提出一种基于四分之一周期延时的正负序分离方法.以三相不平衡电压为例，设三相不平衡电压分别为

(10)

式中，uP、uN分别为电网电压的正序分量和负序分量.将上述电压经正序同步旋转坐标变换得

(11)

将式(10)代入式(11)可求得

(12)

从式(12)可以看出，不平衡分量经正序同步旋转坐标变换后，dq轴上的直流分量为正序分量，dq轴上的交流分量则是负序分量.同理对不平衡的三相电压经负序同步旋转坐标变换得

(13)

将式(10)代入式(13)可得

(14)

(15)

图2 正负序分离方法Fig.2 Positive and negative sequenceseparation method

图3 正负序电流控制结构框图Fig.3 Structure diagram of positive and negative sequence current control

4 仿真验证

为了验证本文所提控制策略的有效性，在Matlab/simulink软件上搭建双馈风力发电系统进行了仿真验证.系统参数为：额定功率PN=1.5 MW，电网额定电压ug=690 V，变流器直流电压udc=1 000 V，直流侧电容C=8 000 μF，变流器网侧滤波电感L=0.3 mH，电阻R=0.01 Ω，开关频率f=2 000 Hz.

本文以电网电压的bc两相跌落50%作为电压不平衡场景，且全部以标幺值量纲进行分析，不平衡的三相电网电压波形如图4所示.图5～7为当电网电压不平衡条件时不采取任何控制措施的仿真结果图，从图5～7中可以看出，并网电流因含有负序分量而呈现不平衡状态，并网功率和变流器直流侧母线电压都会含有二倍频谐波分量而出现低频振荡.图8～10为采用本文提出控制策略的仿真波形图，由图8～10可知，并网电流是三相对称，且并网功率和变流器直流侧母线电压都得到了很好的抑制.

图4 bc两相跌落50%时电压波形Fig.4 Voltage waveforms with bctwo-phase dropping by 50%

图5 不加控制策略的并网电流Fig.5 Grid-connected current without control strategy

图6 不加控制策略的并网功率Fig.6 Grid-connected power without control strategy

图7 不加控制策略的直流电压Fig.7 DC voltage without control strategy

5 结 论

本文针对电网电压不平衡问题，提出了一种基于正负序电流双闭环控制的双馈风力发电系统网侧变流器的控制策略.该控制策略能够通过正负序坐标变换实现正负序分离，使变流器网侧功率和直流侧电压更加平稳，其控制结构简单，易于实现.通过仿真对提出的控制策略进行了验证，仿真结果表明，本文提出的控制策略可有效抑制变流器网侧功率和直流侧电压的二倍频谐波分量，保证了该类型风力发电系统在电网电压不平衡情况下的安全稳定运行.

图8 增加控制策略的并网电流Fig.8 Grid-connected current with control strategy

图9 增加控制策略的并网功率Fig.9 Grid-connected power with control strategy

图10 增加控制策略的直流电压Fig.10 DC voltage with control strategy

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Controlofdoubly-fedwindpowergenerationconverterunderunbalancedgridvoltage

LEI Wei-min1, MIAO You-zhong1, LUO Wei1, XU Yan-sheng1, AI Bing2

(1. Hebei Electric Power Co. Ltd., State Grid, Beijing 100053, China; 2. Langfang Electric Power Co.Ltd., State Grid, Langfang 065000, China)

Aiming at the safety and stability problems caused by the double frequency harmonic components of output power of doubly-fed wind power generation system under the unbalanced three-phase grid voltage condition, a positive and negative sequence double closed loop current control strategy, where the control target is to eliminate the double frequency harmonic components, was proposed. The mathematical model for the grid-side converter of doubly-fed wind power generation system under unbalanced condition was established, and the generation mechanism of double frequency harmonic components was analyzed. In addition, the positive and negative sequence components were separated with the 1/4 cycle delay method, and the positive and negative sequence currents were separately involved in the operation control to counteract the double frequency power components. Moreover, the simulation system was established with the Matlab/Simulink software. The simulated results verify the correctness of theoretical analysis and the effectiveness of proposed control strategy.

doubly-fed wind power generation; voltage unbalance; double frequency; grid-side converter; mathematical model; positive and negative sequence separation; current double closed loop; simulation

2016-07-11.

国家重点新产品计划资助项目(2014GR027008).

雷为民(1964-)，男，北京人，高级工程师，硕士，主要从事电网规划及电力系统分析等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2113.038.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.03

TM 615

A

1000-1646(2017)06-0612-05

(责任编辑：景 勇 英文审校：尹淑英)