构网型全功率风电机组网侧变流器耦合分析及抑制策略_谢震.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.14 第 38 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221462 构网型全功率风电机组网侧变流器耦合分析及抑制策略 谢 震 杨曙昕 代鹏程 杨淑英 张 兴（合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009）摘要 随着风力发电的高比例接入电网，全功率风电机组的稳定运行能力面临着挑战。传统的网侧变流器采用锁相环（PLL）同步策略，构网型全功率风电机组的网侧变流器则基于功率同步策略，利用直流电压的动态特性实现直流电压同步的构网型控制。由于构网型控制存在功率耦合问题，无功通过耦合通道影响有功功率，进一步引起网侧直流电压的动态波动。该文针对网侧变流器构网型控制所存在的耦合问题，建立了直流电压-无功功率耦合模型，利用相对增益理论方法详细分析了系统参数对耦合效应的影响，并采用一种基于无功前馈的直流电压补偿方法，在实验中利用该方法可将由无功变化引起的直流电压动态超调降低 81.8%。通过实验验证了理论分析的正确性及所提方法的有效性。关键词：全功率风电机组 网侧变流器 直流电压 耦合效应 中图分类号：TM464 0 引言 随着可再生能源的发展，风力发电也得到快速发展1。全功率风力发电机组由于其高可靠性，得到了广泛的应用，在风力发电高比例接入电网的背景下，全功率风电变流器的稳定运行能力日渐面临挑战2。全功率风电变流器由背靠背变流器组成，其中网侧变流器作为风力发电单元与电网的接口，其稳定运行能力对系统的稳定性起到关键作用3-4。传统的全功率网侧变流器采用锁相环（Phase-Locked Loop,PLL）同步控制方法，由于 PLL 和电流闭环相互耦合，PLL 带宽过大会通过电流闭环使得系统稳定性降低5。针对 PLL 对并网系统的不利影响，国内外研究学者通过对同步发电机特性的模拟，提出基于功率同步的构网型控制，通过有功功率控制角度实现同步，代替了传统的 PLL 同步方案6-8。文献9对功率同步控制（Power Synchronization Control,PSC）的功率环和直流电压环建模与设计，表明 PSC 有很好的电压支撑能力。文献10对比了构网型控制和 PLL 控制的并网变流器，分析表明在高渗透率新能源发电背景下，基于 PLL 控制的并网变流器容易失稳，而采用构网型控制的并网系统依旧可以稳定运行且无锁相环的约束。文献11提出了利用直流电压进行同步的构网型控制原理，由直流电容的固有特性实现变流器的控制。文献12分析了不同类型的直流电压控制方法对构网型并网系统稳定性的影响。全功率风电网侧变流器的主要控制目标为直流电压控制13，以保证功率的稳定传输。文献14提出全功率风电机组的网侧构网型控制方法，可在短路比为 2 的电网下稳定运行。文献15利用直流电容动态实现全功率风电机组网侧变流器的并网自同步，从而使全功率风电机组无需经过 PLL 并网运行。目前，构网型控制的功率耦合问题是国内外学者的研究热点。文献16揭示了构网型控制功率耦合的机理，在输送有功功率时需要额外的无功功率，加大了对无功功率的需求。文献17对构网型控制的功率耦合进行了详细建模，表明功率耦合问题会受到控制参数及主电路参数的影响。文献18建立了宽频域功率动态耦合模型，分析表明功率耦合效 国家重点研发计划资助项目（2022YFB4202302）。收稿日期 2022-07-28 改稿日期 2022-10-31 3746 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 应会加剧同步频率谐振。对功率耦合问题，文献19提出了一种基于自适应无功功率补偿的解耦策略。文献20通过虚拟阻抗的实时变动来补偿功角所带来的影响，消除有功功率对无功功率产生的影响。文献21采用相对增益分析的目标函数对角化解耦控制方法，将控制系统传递函数设置为对角矩阵实现功率解耦。文献22在基于虚拟功率控制方法的耦合路径中引入低通滤波器，实现有功无功的独立控制。文献23-24通过构建虚拟稳态同步输出阻抗，增加电流内环动态解耦补偿，在小功角条件不满足时完成有功无功解耦控制。以上对于功率耦合问题的研究已较成熟，多关注于有功功率和无功功率的相互影响，所提解耦策略有效地解决了功率耦合问题。在全功率风电机组网侧变流器采用直流电压同步的构网型控制时，鲜有文献对功率耦合所引起的直流电压稳定性问题进行研究。当网侧变流器需要向电网输送无功功率，以提供电压主动支撑能力时，无功功率会通过耦合通道影响有功功率，从而影响直流电压的稳定性，降低系统的有效运行能力。本文首先介绍了全功率风电机组网侧变流器直流电压同步的构网型结构，建立了直流电压-无功功率耦合模型，通过相对增益理论，详细分析了控制参数对耦合效应的影响；然后，针对网侧耦合效应，提出一种基于无功前馈的直流电压补偿方法，降低了由于无功功率变化导致的直流电压波动问题；最后，在 5 kW 永磁同步全功率风电机组实验平台验证了理论分析的正确性及所提方法的有效性。1 全功率网侧变流器的直流电压同步控制 1.1 直流电压同步控制结构 在全功率风电变流器中，机侧变流器控制功率输出，网侧变流器作为接入电网的接口，需要控制直流侧电容上的直流电压，以保证功率传输的稳 定性。全功率风电机组的网侧变流器并网主电路模型如图 1 所示，图中，Pref为机侧输入直流侧的功率，Vdc为直流电压，P 和 Q 分别为网侧输出的有功功率和无功功率，采用 LC 滤波，Lf和 Cf分别为滤波电感和滤波电容，Rg和 Lg分别为电网线路电阻和电感，Cdc为直流侧电容，E0 为远端电网的电压，保持恒定不变，U 为并网点电压，I?为输入电网的电流。不考虑变流器损耗时，输入并网点的功率即为 P+jQ。本文所分析的网侧变流器构网型控制，采用直 图 1 网侧变流器并网主电路 Fig.1 Main circuit diagram of grid-side converter 流电压同步控制，其控制原理15为()()22refgdcdcsTsVVJsD+=|+（1）式中，为控制同步角度；g为电网角频率；T 为 直流电压控制的时间参数；J 为直流电压控制的惯 量参数；D 为直流电压控制的阻尼参数；refdcV为直 流电压控制给定值；s 为拉普拉斯算子。直流电压同步控制框图如图 2 所示。图 2 直流电压控制框图 Fig.2 DC voltage control block diagram 在网侧变流器的直流电压控制模式中，机侧变流器输入直流侧的功率和直流电压动态关系为 dcrefdc dcddVPPC Vt=（2）将式（1）代入式（2）中并整理11可得()()dcdrefrefcref22JCCPsPD+=（3）式中，为输出角频率；ref为额定角频率。式（3）通过模拟转子运动方程实现直流电压控制的构网型控制。网侧变流器向电网输送无功功率，通过无功功率控制来提供电压支撑能力。本文采用如图 3 所示的无功功率控制方案。图 3 无功功率控制框图 Fig.3 Reactive power control block diagram 图 3 中，Uref为并网点电压给定值，U 为无功环输出电压，Qref为无功功率给定值，Q 为无功功 率反馈值，refRMSV为并网点相电压有效值给定，VRMS 第 38 卷第 14 期 谢 震等 构网型全功率风电机组网侧变流器耦合分析及抑制策略 3747 为并网点相电压实际有效值，KVp为电压有效值外环比例系数，KQp和 KQi分别为无功功率环比例和积分系数。在本文所采用无功控制结构中，KVp选择为 0，则无功功率控制原理为()QirefQprefKUUKQQs=+（4）当并网点电压的幅值与理想值有偏差时，需要向电网输送无功以起到支撑电压作用，无功控制环路通过比例积分控制保证输出无功跟随给定，向电网提供电压的主动支撑。图 4 为内环的控制框图，内环为交流电压环和电流环的级联结构，该结构广泛应用于构网型控制中25。在直流电压控制回路和无功功率控制回路分别获取同步角度 和输出电压 U 后，同步角度 作为 uabc和 iabc的坐标变换角度，由 abc 坐标系转化为dq 坐标系，输出电压 U 作为交流电压环 d 轴给定信号，采用电网电压 d 轴定向，内环级联结构可实现并网点电压对外环指令的跟踪。其中，电压电流双闭环均采用 PI 控制，u 为并网点电压，i 为滤波电感电流，Ut为调制电压，下标 abc 表示三相静止坐标系下分量，下标 d、q 表示同步旋转坐标系下的 d、q 轴分量。电压环输出为电流环的给定值 iref，调制电压经过空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）生产变流器的调制信号 Sabc。由于在 dq 坐标系下存在 d、q 轴耦合，本文采用传统交叉解耦方式来消除 d、q 轴控制的耦合影响26。与外环控制相比，电压电流内环的带宽较大，其快速性更高，本文在建模过程中忽略其影响，认为内环反馈跟随给定。图 4 内环控制框图 Fig.4 Inner loop control block diagram 1.2 网侧耦合效应机理 VSG 是基于线路潮流的有功功率和无功功率解耦条件下设计的。在图 1 中，并网变流器与交流母线之间流动的有功和无功功率可表示为 2g c2gg c333sin3cosPUIUR IQIL I=（5）其中 gggarctanRL=+()c22gggEIRL=+当认为同时满足内部和外部的功率解耦条件时，即较小的控制角度 和线路呈纯感性，则可以作近似为：sin，cos1。代入式（5）可得 gggg33()EUPLEU UQL=（6）传统的功率解耦控制是基于式（6），利用角度 实现有功功率 P 的控制，利用电压幅值 U 实现无功功率 Q 控制。当控制角度不够小，即不满足内部功率解耦条件时，或线路呈阻感性，即不满足外部功率解耦条件时，有功、无功控制通道之间产生了耦合，传统控制方法中，控制角度和电压的变化必将引起功率交叉量的变化，恶化系统的控制性能和稳定性。由式（2）可知，当有功功率给定不变时，输入电网的有功功率变化会导致直流电压的变化。在风力发电高比例并网的背景下，网侧变流器要求能根据并网点电压的幅值情况，向电网输送相应的无功功率，以提供电压主动支撑。此时难以满足内部和外部的解耦条件，输入的无功功率将通过耦合通道引起有功功率的波动，再通过式（2）进一步影响直流电压控制的稳定性。因此，有必要针对无功功率的变化对网侧变流器直流电压控制的耦合影响做进一步分析。1.3 相对增益理论方法 相对增益理论方法常用于分析多输入多输出系统中各通道之间的耦合问题27。在一个多输入多输出系统中，输入为 X=x1 x2 xn，输出为 Y=y1 y2 yn。假设 xi是多输入多输出系统的第 i 个输入量，yj是第 j 个输出量，xiyj通道的相对增益定义为第一放大因子pij和第二放大因子qij的比值，其中pij为其他通道打开时的 xiyj通道增益，qij为 3748 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 其他通道关闭且其他控制变量为常数的 xiyj通道增益。数学表达式可以写为()()kkjixk iijijjijiykjyxpyqx=常数常数 （7）n 个输入、n 个输出的系统构成的相对增益矩阵为 1111nnnn|=|（8）式中，元素ij的值所表明的意义为：ij=0，表明输出 yj不受输入 xi的控制影响；ij=1，表明输出yj只受输入 xi的控制影响；0ij1 或ij1，表明输出 yj受除了输入 xi外的输入量的影响，和其他通道存在耦合效应；ij0，表明该通道与其他通道间存在负耦合，用该通道的变量构成闭环控制时，会引起正反馈，使得系统不稳定。相对增益矩阵反映了输入对输出控制作用的强弱，即各个控制通道的耦合程度，当相对增益矩阵为单位阵时，系统是解耦的。使用定义