对称电网电压跌落期间风电机组直流母线电压动态性能提升

《Electric Power Systems Research》：Dynamic performance enhancement of DC-link voltage in wind turbines during symmetrical grid voltage sag

　　

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  分析了直流母线电压波动的动态机制以及对称电压跌落条件下参数不确定性的影响。
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  针对网侧变流器提出了一种基于扰动传播特性的分层扰动补偿策略。
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  提出了一种协调直流母线电压与有功功率参考值的调节方法，以利用电网故障期间直流电容的储能缓冲能力。
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  通过对称电网电压跌落条件下的实时仿真结果验证了所提策略的有效性。

引言

随着风力发电在现代电力系统中渗透率的不断提高，风电的安全运行已成为一项重要优先事项[1]。然而，大规模风电并网也放大了风电波动对电网频率和电压稳定性的影响[2],[3],[4]。因此，全球范围内的并网标准对风力发电机的动态电网支撑能力提出了更严格的要求，特别是在电压跌落等电网扰动期间保持并网连接并提供稳定控制的能力[5],[6],[7]。确保在这些异常条件下的稳定运行已成为风力发电机控制和并网技术研究的关键焦点[8],[9]。

在各种类型的风力发电机中，直驱风力发电机因其高效率、结构简单和强可靠性而被广泛采用[10],[11],[12]。然而，在电网电压突然跌落期间，网侧输出功率受到最大允许网侧电流的限制，这可能导致直流母线上出现暂态功率不平衡，进而引起直流母线电压波动[13],[14]。在严重情况下，过大的直流母线电压过冲甚至会触发保护机制，从而降低系统的运行可靠性[15],[16],[17],[18]。

为了符合并网标准并确保风力发电机在电压跌落期间的连续运行，现有研究从功率平衡的角度出发，通过引入能量补偿或改进内部控制策略来解决直流母线电压调节问题。文献[19]采用储能系统来吸收或提供多余的直流母线功率，从而减轻电压波动。文献[20]提出了一种基于快速混合锁相环的动态无功补偿控制方法，增强了无功功率支撑能力，改善了网侧变流器（GSC）的功率传输条件，间接有助于抑制电压波动。然而，这些方法增加了系统成本和复杂性，并对容量配置和协调控制提出了更高要求。文献[21]提出了一种结合经济型故障电流限制器的协调方案，以限制故障电流并协调机侧变流器（MSC）与网侧变流器之间的功率分配，从而维持电压稳定性并增强低电压穿越（LVRT）能力。类似地，文献[22]提出了一种基于机侧功率削减的协调控制策略，以实现能量平衡和电压稳定。然而，由于机械惯性和控制系统的有限动态响应，机侧功率调节存在延迟，这可能导致功率不平衡，导致直流母线电容中瞬态能量积累，引起电压波动。

除了确保直流母线暂态功率安全的策略外，许多研究者提出了各种控制器优化方法来改善直流母线电压的调节性能。文献[23]提出了一种有限控制集模型预测控制方案，以提高动态响应和稳态性能；然而，该方案主要优化计算效率和开关频率，在大扰动场景下的鲁棒性可能仍然不足。文献[24]提出了一种内模状态反馈控制方法来减小dq轴电流的残余耦合并增强低电压穿越性能；然而，由于其线性设计，在大电压跌落或快速暂态扰动下确保直流母线电压鲁棒性的能力有限。类似地，文献[25]提出了一种基于鲁棒μ综合的直流母线电压控制方法，以增强扰动和参数不确定性下的调节能力；然而，由于涉及结构化奇异值分析和复杂的控制器综合，参数选择和整定具有挑战性。文献[26]提出了一种模型预测滑模控制策略，通过将滑模控制（SMC）集成到模型预测控制框架中，以提高直流母线电压动态性能和抗扰能力；然而，该策略涉及高计算复杂度和严格的实时要求。文献[27]提出了一种基于线性化的直流母线电压控制方法来减轻源侧非线性效应并增强电压调节能力；然而，其性能可能对参数偏差和运行条件变化仍然敏感。

虽然现有研究在控制策略设计方面取得了一定进展，但仍有一些关键问题需要进一步研究。一方面，基于机侧功率协调的现有低电压穿越策略受到机侧有功功率动态响应的限制，因此电网故障初始阶段的瞬态功率积累难以有效抑制。另一方面，在大扰动和参数不确定性下，现有网侧变流器控制策略的调节能力仍然有限，缺乏针对不同类型扰动的分层补偿机制。

受这些挑战的启发，本文提出了一种具有分层扰动补偿的功率协调策略，以提高对称电压跌落期间的直流母线电压稳定性。首先，针对内部参数扰动和电网电压扰动影响网侧变流器的各自路径，在电流调节和直流母线电压调节中引入针对性补偿，从而改善其在大扰动下的直流母线电压调节能力。在此基础上，协调机侧有功功率参考值和直流母线电压参考值，以利用直流母线电容的储能缓冲能力，吸收电网故障初始阶段的功率积累，减轻网侧变流器的功率调节负担，缩短其受限制运行时间，从而提高直流母线电压的暂态稳定性。本文的主要贡献总结如下：

1) 在对称电网电压跌落条件下，对网侧变流器的动态性能进行了系统分析，揭示了直流母线电压的退化机制，并评估了参数不确定性对dq轴电流解耦的影响。

2) 提出了一种基于扰动传播路径的网侧变流器分层调节策略。根据内部参数扰动和外部电网扰动对系统动态性能的不同影响，分别为电流调节和直流母线电压调节过程开发专门的调节方法，以提高参数不确定性下的电流解耦能力并增强大扰动下的电压跟踪能力，从而提高电网电压跌落期间直流母线电压的动态性能。

3) 提出了一种改进的低电压穿越控制策略，该策略协调机侧有功功率参考值和直流母线电压工作点，主动利用直流母线电容的可用能量裕度，吸收部分瞬态功率积累，减轻电网故障初始阶段网侧变流器的功率调节负担，从而提高直流母线电压的暂态稳定性。

本文的结构安排如下。第2节介绍风力发电机模型并分析现有控制策略在电网电压跌落条件下的局限性。第3节详细介绍了内模控制-滑模控制复合控制器和改进低电压穿越策略的设计方法与实现。第4节通过仿真验证了所提控制方案的性能。最后，第5节总结了结论。

章节摘要

建模与问题分析

本节首先介绍直驱风力发电系统的配置和控制框架。在此基础上，分析直流母线电压的动态特性与控制局限性。

低电压穿越期间直流母线电压动态性能提升所提控制策略的实现

本节首先提出了一种基于分层扰动抑制的网侧变流器控制策略，该策略根据内部参数扰动和外部电网扰动的特性，在电流调节和直流母线电压调节中引入针对性扰动抑制，从而改善电网电压跌落期间直流母线电压的动态响应。在此基础上，进一步提出了一种机-网功率协调的低电压穿越控制策略，其中……

仿真与讨论

为验证所提控制策略，在MATLAB/Simulink中建立了一个小规模风电场并网模型，如图4所示。该风电场并网模型包括五台直驱风力发电单元，每台额定功率1.5 MW，配备表面安装永磁同步发电机，并通过全功率变流器连接到690 V公共母线。每台风力发电机分别连接到一台1.5 MW升压变压器，将电压升至35 kV。然后所有发电机的输出……

结论

本文提出了一种直驱风力发电机在对称电网电压跌落条件下的直流母线电压稳定性增强控制策略。分析了直流母线电压动态特性的退化机制，表明网侧调节能力减弱和机侧有功功率的惯性响应共同加剧了电压跌落期间的暂态功率不平衡。为提高直流母线电压动态性能，一种具有分层……的复合控制器……

CRediT作者贡献声明

Rixu Huai：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，验证，软件，方法学，形式化分析，数据管理，概念化。Quan Zhou：撰写–原稿，验证，软件，方法学，数据管理。Bo Wei：撰写–审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，调查，经费获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Rixu Huai|Quan Zhou|Bo Wei