基于FCS-MPC的风力发电系统低电压穿越技术研究
霍智伟 裴旭东
摘 要：提出了一种基于模型预测控制的直驱永磁风力发电系统低电压穿越方法，构建了包含网侧和机侧电流的价值函数，通过滚动优化实现风速变化时的直流电压稳定和最大功率跟踪。当并网点电压发生跌落时，利用一个比例函数降低电机转矩电流参考值，减少永磁同步发电机机组出力，通过将机侧与网侧间的不平衡功率传递至发电机转子，来稳定直流侧电压。最后通过仿真试验，验证了所提控制策略应用于直驱永磁风力发电系统低电压穿越控制的可行性和有效性。
关键词：模型预测控制；
直驱永磁风力发电系统；
低电压穿越
中图分类号：TM921.51 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）13-0078-03
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.020
0 引言
风能是当前应用最为广泛的清洁能源之一，由于极易受天气因素影响，风力发电有时会出现间断；
同时由于风能大小的不确定性，风电并网时可能会对电网冲击比较大，影响并网点的电压幅值和频率。在大部分省电网中，风能只是在火电出力不足时并入电网，因为风力发电影响电网的安全稳定运行。
近年来，风力发电的电网穿透率（即风力发电在电网出力中的比重）越来越大，风电并网对电网系统造成的影响也越来越大。因此，世界各国针对风电并网制定了愈加严格的技术要求，其中风力发电系统在电网电压跌落时的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力最为重要。LVRT是指在并网点电压发生凹陷和跌落时，风电机组能够不脱网持续运行，甚至向电网输入一定的无功功率，支撑并网点电压的恢复，安全度过这一段低电压区域[1-2]。
永磁直驱同步发电机[3-4]（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）作为目前应用最广泛的风力发电机型之一，具有低压穿越能力强、发电效率高、不需要齿轮箱、调速范围大等优点。模型预测控制[5-7]由于其便于解决多变量、强耦合、多约束等非线性控制问题，目前已发展成为应用最广泛的先进控制算法之一。
本文通过制定稳定、高性能的有限控制集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control，FCS-MPC）算法，将其用于永磁直驱风力发电系统低电压穿越技术领域，能有效避免风电并网存在的低电压穿越问题，并改善电网运行特性。
1 风力发电系统数学模型
图1所示为背靠背拓扑的永磁直驱风力发电系统结构，与风力发电机连接的变流器称为机侧变流器（Machine Side Converter，MSC），与电网相连接的变流器称为网侧变流器（Grid Side Converter，GSC）。
忽略线路与开关器件损耗，假设电容无穷大、电感不会饱和等，机侧变流器（MSC）和网侧变流器（GSC）在d-q旋转坐标系下的数学模型分别为：
式中：us d、us q、is d、is q、Ls d、Ls q分别为机侧变流器电压、电流、电感的d、q轴分量；
uf d、uf q、if d、if q、Lf d、Lf q 分别为网侧变流器电压、电流、电感的d、q轴分量；
Rs、Rf分别为机侧和网侧等效电阻；
ωr为电机旋转电气角速度；
ωe为网侧基波电压角速度。
2 模型预测控制策略
模型预测控制利用功率变换器的离散本质，通过滚动优化，直接选出使单一价值函数最小的最优电压矢量，其系统性能主要通过价值函数体现。由于实际风力发电系统为数字离散系统，假设当前为k时刻，则在一个很小的采样周期Ts内有：
在风电机组正常运行过程中，通过控制机侧变流器输出电流q轴电流分量is q实现机组最大功率跟踪控制，通过控制网侧电流d轴分量is d实现直流电压控制及单位功率因数控制。当电网发生扰动后，由于变流器最大电流约束或输出功率振荡，永磁同步发电机输出的电磁功率无法和捕获的风功率相平衡。为使该不平衡能量由机组机械储能系统承担，本文策略即在电网电压跌落时，通过快速切换开关，乘以一个校正系数KF（KF＜1），降低机侧变流器输出电流q轴电流分量指令值，对电压跌落后的机侧变流器输出电流进行快速响应。KF为一离线参数，其大小是根据电网不同跌落深度，综合考虑故障后直流电压稳定及并网点电压恢复所需功率计算所得，整体控制结构如图1所示。
3 仿真试验
为了验证本文所提出的基于模型预测算法的风力发电系统低电压穿越控制的正确性和有效性，设计了Matlab仿真试验，具体试验参数如下：风机额定功率设定为20 kW，风机额定转速为20 m/s，滤波电感为10 mH，直流侧电压为700 V，电网频率设定为50 Hz，PMSG额定电压为400 V，并网点电压为400 V。
图2所示为无低电压穿越控制策略干预情况下的仿真试验结果，模拟1 s时刻电网电压从额定电压跌落至20%，跌落时间持续200 ms。可以看出，电网电压跌落后直流侧电容电压飙升，原因是当电网发生故障电压跌落时，网侧变流器输出有功功率降低，但风电机组仍然工作于最大功率跟踪状态，捕获的风电功率不变，机侧变流器输出有功功率不变，从而造成直流侧功率失衡，导致直流侧电压升高。
图3所示为有低电压穿越控制策略干预情况下的仿真试验结果，可以看出，发生同样的并网点电压跌落，直流电容电压只在电压跌落和恢复瞬间发生微小变化后就趋于正常；
同时，在电压跌落时刻向电网注入了无功功率，能帮助电网电压快速恢复。另外，在电网电压跌落期间，风电机组将多余能量储存在永磁同步发电机转子惯量中，所以机侧电流降低，确保了机侧和网侧功率平衡，保护了电力电子功率器件的运行安全，验证了本文所提基于模型预测控制的风力发电系统低电压穿越技术的有效性。
4 结论
本文提出了基于模型预测控制的风力发电系统低电压穿越技术，通过将网侧变流器和机侧变流器数学模型离散化，推导出k+1时刻的dq电流预测值，并构建网侧和机侧模型预测价值函数。通过引入校正系数KF（KF＜1），从而降低机侧变流器输出电流q轴电流分量指令值，对电压跌落后的机侧變流器输出电流进行快速响应。最后，通过仿真试验，对比分析了有无低电压穿越控制干预的风力发电系统试验结果，验证了该控制方法的有效性。
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收稿日期：2023-03-13
作者简介：霍智伟（1989—），男，甘肃人，助理工程师，研究方向：高低压电器产品试验。
通信作者：裴旭东（1990—），男，甘肃人，高级工程师，研究方向：发输变电工程及高电压技术。