胡 俊，胡为兵，江卫华

（武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430205）

0 引 言

近年来，由于风电在交流电网中的渗透能力提高，导致惯性响应和功率衰减能力下降，引起了风力发电机制造商和系统运营商的高度重视[1]。

本文提出了由直流环节电容能量实现风力机虚拟惯性的控制方案。在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真验证了模型的正确性，分析了风力发电机模型的适用性[2-3]。

1 PMSG发电系统模型

直驱永磁风力发电系统主要由风力机、永磁同步发电机（PMSG），双PWM变换器三大主要结构组成，如图1所示。

图1 PMSG发电系统结构图

PMSG将机械动力从气动系统转换为交流电源，然后通过IGBT脉宽调制（PWM）变换器将其与直流端口的直流链路连接，将其转换为直流电源。发电机输出功率通过PWM逆变器传输到电网。通常对PMSG的数学模型的研究都是在同步旋转d-q坐标系下进行，三相静止坐标系abc，通过Clark变换和Park变换得到d-q坐标系。

2 变换器及其控制

2.1 发电机侧变换器控制

采用解耦控制策略。差值作为PI控制器的输入，输出经过Park变换送给空间矢量控制器SVM，再经PWM调控来控制IGBT的开通与关断。为了理解控制的概念，需要讨论运动方程。给出了一个典型发电机的运动方程：

其中，j为包括风力机和发电机在内的整个系统的转动惯量，B为摩擦系数。

由发电机的运动方程可知发电机的转速由电磁转矩控制，可以通过改变q轴电流分量来控制发电机的转速，控制q轴电流跟踪最大功率。将d轴电流分量置为0，减小发电机的损耗。

2.2 电网侧变换器控制

电网侧变换器主要用来控制直流电容电压与电网功率。其控制原理如图2所示，整个控制方案采用电网电压参考系，d轴与电网电压共线选择。电网侧变换器采用双环矢量控制，外环为直流电压控制环，内环为电流环，通过跟踪电压外环输出的有功电流给定信号实现对有功功率的控制。无功功率主要由无功功率偏差产生无功电流给定来实现。

3 直流电容环节惯性支撑

在电力系统中，负荷和发电量之间的任何不平衡都会导致系统频率的变化。同步发电机（SG）本质上利用其机械惯量来平滑频率偏差，分析如下：

图2 电网侧变换器控制

其中，H为SG惯性常数，f为系统频率，ΔP是SG的机械功率和电功率之间的偏差。在相同的时间范围内，H越大，频率变化越小。

为了模拟式（2）中的惯量。直流链路电压在一定程度上类似于系统频率，因此：

其中，HDC为直流链路电容提供的等效虚惯性常数。对（3）两边随时间积分得：

其中，VDC0和f0分别为直流电容电压和系统频率的标称值。通常，它们被设置为1p.u.。本文将直流链路电压约束设为±0.1 p.u.。精确的值取决于绝缘要求和PWM模式。因此（5）可以在其平衡点附近线性化：

直流电容能量惯性控制的控制过程可以推导如下：

其中，KDC为控制参数，可根据PWM频率、VSC电流额定值等技术要求进行合理设计。上述控制过程实际形成了如图3所示的直流链路电压降控制方案。由式（6）和式（7）可得HDC与KDC之间的关系为：

4 仿真分析

在Matlab中对基于直流电容惯性控制的永磁同步风力发电系统进行仿真，仿真分析了如下两种情况。

4.1 有无直流电容提供惯性的比较分析

直流电容提供惯性策略能够减小PMSG发电机转速出现的振荡。有功功率对比，直流电容提供惯性能够更好的平滑有功，使有功功率更加稳定，可以使PMSG转子稳定的工作在最佳功率曲线上。直流电容提供惯性策略使无功功率波动更小，在需要无功功率时能够提供更大的无功并且能够保持无功基本恒定，减小电网负荷。

图3 直流链路电压降控制

4.2 带有直流电容提供惯性不同惯性常数结果分析

随着惯性控制参数KDC的增大，系统的惯性也不断增大，PMSG发电机转子振荡越小，当增大到某一值时，由于转子本身结构的限制，会导致振荡增大，因此要将惯性常量控制在一定范围内才能更好的有效运行。随着惯性常量的增大，有功功率会变得越来越平滑，发电机输出功率与输入到电网的功率达到平衡，提高了功率转换效率。可以通过改变惯性常数来改变无功消失的时间，使系统更具控制性和操作性。随着惯性常数的增大，在刚开始时直流链路电压发生波动，为系统提供的合适惯性，从而增大发电机的输出功率，随后直流链路电压快速趋于稳定，便于将发电机输出功率转移到电网上。

5 结 论

本文提出了由直流环节电容实现风力机虚拟惯性的控制方案。通过与转子动能惯性支撑相比较，直流环节电容提供惯性，可以提供更大的惯性常数，更好的平滑有功功率，提供更加稳定的直流电压，有利于风力机输出功率全部转化到电网上，为系统提供快速的支持。