模块化多相永磁风力发电机串...直流海上风电场电压协调控制_崔鹤松.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211666模块化多相永磁风力发电机串并联直流海上风电场电压协调控制崔鹤松1李雪萍1黄晟1黄凌翔2沈非凡1黄守道1罗德荣1吴公平3（1.湖南大学电气与信息工程学院长沙4100822.哈电风能有限公司湘潭4111023.长沙理工大学电气与信息工程学院长沙410114）摘要为满足高电压、大功率、高可靠性的风电场直流输电系统电能传输需求，该文提出基于模块化多相永磁风力发电机的新型串并联直流海上风电场拓扑，以及模块化多相永磁风力发电机串并联直流海上风电场电压协调控制方法。首先，建立基于模块化多相永磁风力发电机的直流风力发电系统数学模型，设计了模块化多相永磁风力发电机无差拍功率预测控制器，来提升 dq轴电流跟踪精度和动态响应速度，并补偿无差拍预测控制器中的单拍延迟；然后，针对模块化多相永磁同步发电机串并联拓扑结构特点，提出一种考虑直流风电场潮流的功率-电压协调控制策略，通过实时调节风机的有功功率参考值，来抑制串并联直流风电场的风机过电压；最后，搭建了基于模块化多相永磁风力发电机的 365 MW 串并联直流海上风电场的模型，来验证所提无差拍功率预测控制和功率-电压协调控制的有效性。关键词：模块化多相永磁风力发电机无差拍功率预测控制功率-电压协调控制中图分类号：TM6140引言高电压、大功率、高可靠性的海上风电系统是未来深远海风电场发展的趋势1-3。国内外学者对大型海上风电经济高效的收集和传输进行了广泛的研究。传统海上风电场仍采用交流集电系统，风机塔架中需要安装重型交流变压器，以满足集电系统的电压水平。交流海底电缆长距离输电造成功率波动大、并网连接薄弱、电能损耗高等问题4。基于电压源型变流器（Voltage-Source Converter,VSC）的高 压 直 流 输 电（High-Voltage DC Transmission,HVDC）技术无需大型滤波器5-6，并且能够降低运输、安装和维护成本，VSC-HVDC 已成为远距离、大容量电能传输的理想技术路线。具有直流集电与传输系统的风电场具有良好的发展前景7-12。与传统的 VSC-HVDC 交流集电系统相比，全直流风电场具有消除大型交流变压器、提高效率和功率密度、减小电缆尺寸和质量等优点8-9。全直流海上风电场的串并联拓扑能降低集电系统网损，无需海上换流器，具备减少建设与维护成本的优势10。串并联拓扑中同一风机串联簇各机组的可用风能不同，风速较高的风机由于其端电压可能超过阈值而存在过电压的风险。针对串并联直流风电场过电压抑制控制策略，国内外学者已经进行了深入研究11-15。文献11-12提出 DC-DC 变流器与机侧变流器的协调控制方法，来避免直流母线侧出现过电压。文献13提出串并联直流连接风电场的过电压抑制方法，分析了串并联直流连接风电场拓扑的特点，研究保证其安全运行的控制策略。文献14-15提出了适用于串并联型风电场风电机组的过电压协调最大功率追踪控制策略，抑制风机过电压，但是并没有考虑传输电缆上的网损和压降。收稿日期 2021-10-09改稿日期 2021-12-06926电 工 技 术 学 报2023 年 2 月近年来，模块化多相永磁同步发电机（Per-manent Magnet Synchronous Generator,PMSG）在大功率风能转换系统中得到了广泛的应用16-17。模块化多相 PMSG 具有较强的容错性和较小的定子电流，可通过多模块变流器直接并网17-19。此外，模块化多相 PMSG 无需变速箱，能降低风能转换系统的损耗，提高了系统的效率和可靠性20-21。文献22-24提出一种基于开端绕组 PMSG 的风能转换系统，该系统实现了开端绕组 PMSG 良好的动、稳态运行性能。文献25提出一种用于风能转换系统的模块化电力电子解决方案，可实现大功率模块化多相 PMSG 的高可靠性和容错性。文献26提出了采用模块化多相 PMSG 的风电系统直流输电技术，但没有从系统角度考虑模块化多相 PMSG 的特性和风电场电压稳定控制问题。文献22-26中采用常规PI 控制器，模块化多相 PMSG 可以获得优良的动、稳态控制性能。然而，PI 控制器很难在整个风速变化范围内获得满意的控制性能。与传统的 PI 控制器相比，模型预测控制器在变风速下具有跟踪精度高、动态响应速度快等优点，得到了广泛的关注和研究27-29。若模块化多相 PMSG 内部的多个变流器串联在直流环节，则模块化多相 PMSG 的直流侧总电压是单相 PMSG 的 6 倍。因此，需要串联一些 PMSG 来满足高压输电的要求。模块化多相 PMSG 比传统单相 PMSG 更适用于串并联直流连接的风电场。因此，本文针对基于模块化多相 PMSG 的海上风电场提出一种新型的串并联直流连接拓扑。分析了基于模块化多相 PMSG 的串并联直流风电场的特性，建立模块化多相 PMSG 的数学模型，提出适用于模块化多相永磁风力发电机的无差拍功率预测控制策略，可实现 dq 轴电流指令的快速精确跟踪。此外，针对基于模块化多相 PMSG 的串并联直流风电场，提出一种考虑直流风电场功率潮流的协调控制策略，来调节风电场内各风机的有功出力，达到抑制串并联直流风电场的风机过电压的目的。1基于模块化多相 PMSG 的串并联直流海上风电场1.1基于模块化多相 PMSG 的直流风电场拓扑基于模块化多相 PMSG 的串并联直流海上风电场的拓扑如图 1 所示，风电场包含 mn 个基于模块化多相 PMSG 的风机。m 个基于模块化多相 PMSG的风机通过电缆串联连接形成风机串联簇，以满足电压传输的要求，其中每台风机位置距离为 2 km。n 个风机串联簇并联以增加风电场的总容量，风电场采用串并联直流连接拓扑，不需要海上升压装置、交直流变换器和平台。图 1基于模块化多相 PMSG 的串并联直流海上风电场的拓扑Fig.1The topology of the multi-phase PMSG-basedseries-parallel DC connected offshore WF1.2模块化多相 PMSG 的运行特性与模型建立模块化多相 PMSG 由特性一致的三相永磁电机单元组成，其结构如图 2 所示。三相永磁电机单元之间的电、磁、热相互隔离。对于模块化多相 PMSG，三相永磁电机单元可以通过旁路保护系统直接串联。此外，模块化多相 PMSG 具有定子电流小、容错性高、可靠性高等优点，可有效提高串并联直流风电场的安全可靠性。图 2模块化多相 PMSG 结构Fig.2Structure diagram of modular multi-phase PMSG同步旋转坐标系下模块化多相 PMSG 的电压状态空间方程可描述30为dqoode qddododoqodoroqe deqqoqoqoqod1dd1djjjjjjjjiLRiiutLLLiRLiiutLLLL=-+|=-+|（1）第 38 卷第 4 期崔鹤松等模块化多相永磁风力发电机串并联直流海上风电场电压协调控制927式中，j 为发电机序号；idj与 iqj分别为发电机 j 的 d、q 轴电流；Ro、Ldo与 Lqo分别为定子电阻、定子 d、q 轴电感；e为电气角速度；ro为永磁体磁链；udj与 uqj分别为第 j 相绕组的 d、q 轴电压。模块化多相 PMSG 的电磁转矩eT可表示为()pero qdoqod q13+2NjjjjnTiLLi i=-（2）式中，np为电机极对数；N为电机相数。图 3 为基于模块化多相 PMSG 的风电系统结构。风机主要包括模块化多相 PMSG、全功率 AC-DC变流器和旁路保护系统。AC-DC 变流器采用功率预测控制算法来对模块化多相 PMSG 的有功出力进行控制。每个 AC-DC 变流器连接到一个 DC-DC 变流器，DC-DC 变流器的作用是在保持 AC-DC 变流器直流环节电压恒定的同时，将 AC-DC 变流器侧直流电压提升到更高的水平，DC-DC 变流器的拓扑结构如图 3 所示。全桥变流器在变压器一次侧产生高频方波的同时，通过调节占空比维持直流环节电压稳定，二次电压通过变压器提高到更高的水平，二次侧高压方波经二极管桥整流，输出滤波器将纹波减小到合适的范围。图 3基于模块化多相 PMSG 的风电系统结构Fig.3Structure diagram of wind power system based onmodular multi-phase PMSG为了防止单段定子绕组在模块化多相 PMSG 中引发连锁故障，本文设计了旁路保护系统来隔离故障定子绕组。DC-DC 变流器输出端的直流断路器可以直接切断整个故障绕组连接，保证发电机的正常运行。与传统三相 PMSG 相比，本文提出的新型模块化多相 PMSG 风电系统结构具有更高的可靠性。2模块化多相 PMSG 的功率预测控制以 6 段模块化多三相 PMSG 为例，模块化多相PMSG的 6段定子绕组的 AC-DC变流器并联结构如图 4 所示。根据模块化多相 PMSG 的数学模型，模块化多相 PMSG 的矢量控制与传统三相 PMSG 类似。为了使控制算法易于实现，模块化多相 PMSG控制器同时向 6 个 AC-DC 变流器发出相同的激励信号，对整个模块化多相 PMSG 进行控制。图 4模块化多相 PMSG 的 6 段定子绕组AC-DC 变流器并联结构Fig.4Parallel structure diagram of 6-segment statorwinding AC-DC converter of modular multi-phase PMSG模块化多相 PMSG 状态方程式（1）的解可表示为()oo()()o()e()e()dtt ttjjjttt-=+AAxxBuD（3）其中dq()jjjiti=|xdq()jjjutu=|uqooedododooeqoqo()LRLLtLRLL-|=|-|Adoqo1010LL|=|Beroqo0L|=|-|D令 to=kTs，Ts为采样周期，假设采样周期足够短，可以得到o sdoo sqoo sdoo sqoe se se se1e1cos()1sin()R TLR TLR TLR TLTTT-|-|-|（4）由此可得模块化多相 PMSG 的离散状态方程为dododdodqoeqssqoqoqqoqdoedssroe()(1)()()()()(1)()()()()jjjjjjjjLLukikRikLk ikTTLLukikRikLk ikTTk=+-|=+-+|（5）928电 工 技 术 学 报2023 年 2 月在实际的数字控制系统中，预测控制器的实际输出电压与指令电压之间存在一个不可逆的单拍延时，使得在 kTs时刻计算得到的电压矢量，如 udj(k)、uqj(k)被应用于(k+1)Ts时刻。为了消除单拍延时对模块化多相 PMSG 动静态性能的影响，采用 Smith 预测控制器预测下一次采样电流，即在(k+1)Ts时刻的idj(k+1)、iqj(k+1)的值。并可以根据采样电流 idj(k+1)、iqj(k+1)来计算下一控制周期的电压值 udj(k+1)、uqj(k+1)。因此，为了补偿单拍延时，式（5）改写为refdododdodssqoeqqoqorefqqoqssdoedroe(1)(2)(1)(1)(1)(1)(2)(1)(1)(1)(1)jjjjjjjjLLukikRikTTLkikLLukikRikTTLkikk+=+-+-|+|+=+-+|+（6）式中，udj(k+1)与 uqj(k+1)分别为(k+1)Ts时刻无差拍电流控制器的 d、q 轴电压；refd(2)jik+与refq(2)jik+分别为(k+2)Ts时