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1、2016 年 电 工 技 术 学 报 Vol.31 Sup.1 第 31 卷增刊 1 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY 2016 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统 不对称故障穿越策略 黄守道 张 阳 荣 飞 （湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082） 摘要 基于Z源逆变器的永磁直驱风力发电机组在不对称电网故障下运行时，将导致并网电流含负序分量，Z源网络电容电压泵升并含有二倍工频纹波等问题。由于系统机侧采用三相不可控整流，无法解决Z源网络电容中二倍频对发电机转矩脉动的影响，本文采用储能型Crowbar方案，通过对故障时系统功
2、率流动的分析，提出一种基于Z源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略，采用比例谐振控制器使流入储能装置的功率无静差跟踪发电机输出功率和Z源逆变器输出功率之差，不仅限制了故障时Z源网络电容电压的泵升，还消除了Z源网络电容上的二倍工频纹波。此外，通过在正负序同步坐标变换下电网正负序电压分别定向的方法，抑制了并网电流的负序分量。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。 关键词 ： Z源逆变器 直驱式风力发电 不对称故障 比例谐振控制器 A Ride-Through Strategy of D-Permanent Magnet Synchronous Generator System Based
3、 on Z-Source Inverter During the Asymmetrical Faults Huang Shoudao Zhang Yang Rong Fei （ College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China） Abstract Asymmetrical grid faults will introduce negative sequence components into grid- connected currents, and results
4、in overvoltage or large voltage fluctuations across the capacitors in a Z-source inverter (ZSI). When the ZSI is used to a wind power generation system, the voltage fluctuations may even lead to generator torque ripples. Thus, this paper proposes a ride-through scheme to mitigate the adverse effects
5、 caused by asymmetrical grid faults, for the ZSI-based wind power system using permanent magnet synchronous generator (PMSG). In this scheme, the solution based on super-capacitor, controlled by a proportional-resonant controller, is used to limit the voltage rise and reduce the voltage fluctuations
6、 in the ZSI. Meanwhile, the negative sequence components of the grid currents are eliminated effectively, by using separate positive and negative sequence control loops. Simulation and experimental results are presented to verify the effectiveness of the proposed control scheme. Keywords: Z-source i
7、nverter, direct-drive wind power generation, asymmetrical faults, proportional-resonant controller 0 引言 Z 源逆变器具有升降压控制灵活、抗电磁干扰能力强以及单级控制等优点1-8，近年来被广泛应用于风力发电等新能源发电系统中9-12。文献 13提出了一种采用 Z 源变换器和永磁同步发电机的风能转换系统，比较了 Z 源网络电容电压控制和直流链峰值电压控制下的并网特性，并实现了风力发电机的最大风能追踪。文献 14提出了一种基于 Z 源逆变器的新型直驱永磁风力发电系统，建立了三相 Z 源并网逆变器的
8、数学模型，该系统采用 d、 q 轴解耦的国家自然科学基金资助项目（ 51377050）。 收稿日期 2016-01-27 改稿日期 2016-03-30 万方数据 第 31 卷增刊 1 黄守道 等 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略 93 空间矢量脉宽调制控制策略，可以实现有功、无功功率的调节和最大风能追踪。文献 15分析了基于 Z源逆变器的风力发电系统有功、无功功率流动，提出一种在电网电压对称跌落情况下，风机不脱网运行的控制策略。然而，在实际电力系统中，常常出现电网电压不平衡，而国内外鲜有针对基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越的研究。 电网电压不对称故障下
9、，当以维持变流器有功功率恒定为控制目标时，可以消除母线电容上的二倍频纹波16-18，但变流器三相输出电流不对称，不仅会增大线路和变压器损耗，还会反过来加重电网电压的不对称度， 不利于电网电压恢复19, 20。 于是，本文以维持变流器三相输出电流对称为控制目标，此时 Z 源网络电容上将不可避免地产生二倍频纹波，其不仅会降低 Z 源网络电容的寿命、增大成本，还会通过直通零矢量引起发电机的转矩脉动。然而，基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统采用的是三相不可控整流，无法通过对机侧变流器的控制消除 Z源网络电容二倍频对发电机的影响。因此，本文提出一种基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略
10、，采用比例谐振控制器使储能装置的功率吞吐量可以快速无静差地跟踪发电机输出功率和 Z 源逆变器输出功率之差，这样不仅限制了故障时 Z 源网络电容电压的泵升，还消除了 Z 源网络电容上的二倍工频纹波。 1 系统结构及模型分析 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统拓扑结构如图 1 所示，该系统包括风机、永磁同步发电机、输入电容器、不可控整流桥、 Z 源逆变装置和并网变压器。由于整流桥采用的是由 6 个二极管组成的三相不可控整流，传统 Z 源逆变器中直流侧的二极管可省略。输入电容器和不可控整流桥等效为直流电源向 Z 源网络供电。 图 1 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统拓扑结构 Fig.1 Z-s
11、ource inverter for the permanent magnet direct-drive wind power system 图 2 为二极管和电容器在 6 个扇区内的工作情况。图 2 中将一个交流输入周期划分为 6 个扇区，每个扇区内，只有具有最大电压差的两相二极管才能导通。这时，导通的两个二极管和相应的输入电容作为一个整体向 Z 源网络供电。由于逆变器的开关周期远大于交流输入周期，可认为在一个开关周期内，输入电容器的电压为恒定值。而两个串联的二极管同时导通同时关断，可等效为一个二极管，这样就可以利用 Z 源逆变器的基本理论分析该系统在一个开关周期内的等效电路。 图 2 二极
12、管和电容器在 6 个扇区内的工作情况 Fig.2 Diode and capacitor in six possible conduction intervals per cycle 以第一扇区为例，此时，二极管 VD1和 VD6导通，输入电容 Cab作为直流电源向 Z 源网络供电。当 Z 源逆变器处于非直通零矢量时，逆变桥可等效为一个电流源，此时系统的等效电路如图 3 所示。 图 3 非直通时系统的等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of the system during non-shoot-through state 由 Z 源网络的对称性可知211212CC C
13、LL LUU UUU U（ 1） 由图 3 可知 iniin2LCCUUUUUU（ 2） 万方数据 94 电 工 技 术 学 报 2016 年 式中， Uin为直流侧等效输入电压； UL和 UC分别为阻抗源网络电感和电容电压； Ui为 Z 源网络输出电压。 由于传统电容滤波的三相不可控整流电路中电容电压大小的缘故，二极管整流桥有可能不导通，造成 Z 源网络输出电压畸变。为此，在设计 Z 源网络电感时，要求 0012s(1 )3cos 123cos 1 02DDZLLfM MBMB（ 3） 式中， D0为 Z 源逆变器的直通占空比； fs为 Z 源逆变器的开关频率； |Z|为负载； M 为 Z
14、源逆变器的调制因数； 为 Z 源逆变器的输出的功率因数角； B为 Z 源逆变器的升压因子。 由式（ 2）可知，当 Z 源网络中的电感满足式（ 3）时，流过二极管的电流不会断续，即二极管总是被强制导通， Z 源逆变器的这种特性增加了输入电流非零的时间，这对于输入电流谐波的减少非常有益。 当 Z 源逆变器处于直通零矢量时，逆变桥可视为被短路，二极管 VD1和 VD6断开，此时系统的等效电路如图 4 所示。 图 4 直通时系统的等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of the system during shoot-through state 由直通时系统的等效电路可知 i0
15、LCUUU（ 4） 由一个开关周期 T 中，电感两端平均电压必然为 0 可得 00in 0 01212CUTT DUTT D（ 5） 式中， T0为一个开关周期内直通的时间。 将式（ 5）代入式（ 4）可得 0dc in in in002(1 ) 11212 12DUU UUDD （ 6） 由式（ 6）可知，直通时两个二极管肯定是关断的，此时，发电机不再向 Z 源网络供电，输入电流流向电容器，由于直通时间非常短暂，所以只需较小的电容量来抑制电压的波动。 2 电网电压正负序定向矢量控制策略 电网发生单相接地短路、两相相间短路以及两相接地短路故障时，电网电压可以分解为正序、负 序和零序分量，当采用
16、三相无中性线并网时，不平衡电压 TabcUUU 与不平衡电流 TabcI II 可采用对称分量法分别分解成正序分量TPPPabcUUU、TPPPabcI II 与负序分量TNNNabcUUU 、TNNNabcIII， 而没有零序分量。 根据瞬时功率理论，网侧变流器复功率表示为 gg*jP jPjN jNdq dq dq dq0c2 s20c2 s2j1.5 e e e ecos(2 ) sin(2 )j cos(2 ) sin(2 )ttttSP QPP tP tQQ tQ t UUII（ 7）其中 PP PP NN NN0 ddqqddqqPP PP NN NN0qddqqddqPN PN
17、NP NPc2 dd qq dd qqPN PN NP NPc2 qd dq qd dqNP NP PN PNs2 qd dq qd dqNP NP PN PNs2 dd qq dd qq323232323232P UIUIUI UIQUIUIUIUIP UIUIUIUIQUIUIUIUIP UIUIUI UIQUIUIUIUI （ 8） 式中， P0、 Q0分别为有功、无功功率平均值； Pc2、Qc2分别为二次侧有功、无功功率余弦项谐波峰值；Ps2、 Qs2分别为二次侧有功、无功功率正弦项谐波峰值。 由式（ 7）可见，在电网电压不平衡时， Z 源逆变器的输出功率中存在着二倍电网频率的谐波功率
18、，将电网电压定向控制策略引入正、负序网络，在正序网络中将 dP轴定向于正序电压矢量方向，在负序网络中将 dN轴定向于负序电压矢量的方向，由此可得 万方数据 第 31 卷增刊 1 黄守道 等 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略 95 PP NNddPNqq00UU U UUU（ 9） 式中， UP、 UN分别表示电网电压的正、 负序分量。 将式（ 9）代入式（ 8） ，得 PP NN0ddPP NN0qqPN NPc2 d dPN NPc2 q qNP PNs2 q qNP PNs2 d d323232323232PUIUIQUIUIPUIUIQUIUIPUIUIQUIUI
19、（ 10） 虽然控制目标中并网有功功率恒定和并网无功功率恒定各有优势，但都会导致并网三相电流不对称，不仅会增大线路和变压器损耗，还会加重电网电压的不对称度，不利于电网电压恢复。因此本文以维持变流器输出三相电流对称为控制目标，将IdN=0， IqN=0 代入式（ 10）得 PP0dPP0qNPc2 dNPc2 qNPs2 qNPs2 d323232323232PUIQUIPUIQUIPUIQUI（ 11） 解得正序电流给定值为 P 0drefPP 0qrefP2323PIUQIU（ 12） 正序分量以角频率 旋转，负序分量以 旋转，引入 PI 控制器，则正、负序电流内环可表示为 PPPPidp
20、drefd0qdPPPPiqp qrefq0dqiiiiI IUI IUKKKKVLIss （ 13） NNNNidpdrefd0qdNNNNiqpqrefq0dqiiiiI IUI IUKKKKVLIss （ 14） 式中， Kip、 Kii分别为电流控制器的比例系数和积分系数； UdP、 UqP、 UdN、 UqN分别为 d、 q 轴正、负序电压分量； IdP、 IqP、 IdN、 IqN分别为 d、 q 轴正、负序电流分量。 由式（ 5）中不可控整流器输出电压和 Z 源网络电容电压的关系可得，在忽略损耗的情况下，有功功率给定值为 i dcref 00ref p dcref dc0(1 2
21、 )()1vvK VDPK VVsD （ 15） 式中， Kvp、 Kvi分别为电压控制器的比例系数和积分系数。 在空间矢量脉宽调制（ Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM）中，直通占空比通过对 Z 源网络电感电流的控制来产生，其中，电感电流的给定值由永磁直驱风电系统（ D-PMSG）转速差经过PI 控制器获得，进而跟踪最优的参考电流从而实现风力发电机的最佳功率点。正、负序电压定向双电流环控制策略如图 5 所示。 图 5 正负序电压定向双电流环控制策略 Fig.5 The double current loop control strategy
22、with positive voltage oriented and negative sequence 3 Z源网络电容增加储能回路 电网电压不对称故障时，往往会伴随正序电压幅值的跌落，由于并网变流器采取了限流保护，这样就会引起发电机输出功率与并网功率的不平衡，多余的能量将流入 Z 源网络电容，如果这种不平衡不能得到有效的控制，则会引起 Z 源网络电容上的过电压，危害系统的安全。此外，电网电压不对称万方数据 96 电 工 技 术 学 报 2016 年 故障时，如果风电系统继续运行于传统控制策略，Z 源网络电容电压将会以二倍工频大幅波动，其电容电压波形如图 6 所示，由于直通时， Z 源网络电
23、容向 Z 源网络电感充电，将引起 Z 源网络电感电流的二倍频波动，而永磁同步风力发电机的转速是由Z 源网络电感电流控制的，于是，这个二倍频纹波将引起发电机的转矩脉动，威胁系统安全。 图 6 传统控制策略下 Z 源网路电容电压 Fig.6 Z-source capacitor voltage with conventional control method 本文在 Z 源网络电容两端增加储能回路，通过准比例谐振控制器，使储能装置的功率吞吐量可以快速无静差跟踪发电机输出功率和 Z 源逆变器输出功率之差，使能量以二倍频波动的形式传入储能装置，消除 Z 源网络电容上的二倍频纹波。基于比例谐振控制器的储
24、能控制策略，如图 7 所示。 图 7 基于比例谐振控制器的储能控制框图 Fig.7 Control diagram of Crowbar circuit used PI-RES 比例谐振控制器由比例环节和谐振环节组成。理想比例谐振控制器在谐振点处增益接近无穷大，可实现对正弦量的无静差控制。由于受模拟系统元器件参数准确度以及数字系统准确度的影响，理想比例谐振控制器很难实现。所以本文采用准比例谐振控制器，其传递函数为 irp22c02()2KKsGs Ksss （ 16） 式中， Kp为比例环节系数； Ki为积分环节系数； Kr为谐振项系数； c为截止频率，通过设置 c可以扩大谐振控制器带宽，降低
25、对于信号频率变化的敏感程度。 当检测到电网发生低电压故障时，采用储能型Crowbar 装置投入工作，此时发电机发出的功率为 GerPT （ 17） 式中， Te 为最大风能跟踪下的转矩给定值； r为永磁同步发电机的转速，而 Z 源逆变器的输出功率为 i0c2 s2cos(2 ) sin(2 )PPP tP t （ 18） 式中， P0、 Pc2、 Ps2的值由式（ 11）求得。 故障期间超级电容吸收的能量为 10sc G i()dttWPPt（ 19） 式中， t0为故障起始时间； t1 为故障终止时间； PG为发电机发出功率； Pi为 Z 源逆变器输出功率。则超级电容的容量为 scsc22s
26、c scINT2WCUU（ 20） 式中， UscINT为超级电容的初始电压； Usc为超级电容故障终止时的电压。 Usc的值不能超过超级电容的最大电压，其值越大超级电容的容量就越小，实际计算中应当留出适当的裕量。 当发电机发出的功率保持不变时， Z 源逆变器的输出功率是一个含有二倍频分量的值，从而流入超级电容的电流给定值为一个含有二倍频分量的值。采用比例谐振控制器使流入超级电容的电流实际值无静差地跟踪其给定值，使能量以二倍频波动的形式给超级电容充电，从而在防止 Z 源网络电容电压泵升的基础上，消除其二倍频分量。 4 仿真 为了证明本文提出的不对称故障穿越策略的正确性，以 1 MW 基于 Z
27、源逆变器的永磁直驱风电系统为例，进行 Simulink 仿真证明，系统主要仿真参数见表 1。 万方数据 第 31 卷增刊 1 黄守道 等 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略 97 表 1 仿真参数 Tab.1 Parameters of simulation 参 数 数 值 系统功率 / kW 1 000 网测线电压 / V 690 电网频率 / Hz 50 Z 源网络电容电压 / V 1 100 Z 源网络电容 / mF 8 Z 源网络电感 / mH 15 超级电容 / F 165 超级电容初电压 / V 400 超级电容最大电压 / V 800 图 8 为电网电压发生单
28、相接地故障时的仿真波形，从图 8 中可以看出故障期间电网电压发生相位突变。由于并网电流对称，消除了负序分量， Z 源网络电容电压稳定，不仅没有出现大幅升高，而且没有二倍频分量，正序电流跟踪效果良好。故障 图 8 单相接地故障时仿真波形 Fig.8 Simulation waveforms of one phase ground fault 时 Crowbar 装置起动，超级电容输入的有功功率很好地跟踪了发电机输出有功功率和并网有功功率的差值。 图 9、图 10 为电网电压发生两相短路故障和两相接地故障时的仿真波形。从图 9 和图 10 中可以看出故障期间电网电压出现不平衡跌落， Z 源网络电容
29、电压没有出现伴随二倍频波动的泵升，且正序电流跟踪效果良好，消除了并网电流的负序分量，储能装置的功率吞吐量快速无静差地跟踪了发电机输出功率和 Z 源逆变器输出功率之差。 图 9 两相短路故障时仿真波形 Fig.9 Simulation waveforms of two-phase fault 仿真结果表明，本文提出的电网不平衡时的控制策略，可以有效实现基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统电网发生不对称故障时可靠运行。 5 实验 建立小功率实验系统对本文所提方法和传统控制方法进行实验对比验证。实验系统参数见表 2。 万方数据 98 电 工 技 术 学 报 2016 年 图 10 两相接地故障时仿真
30、波形 Fig.10 Simulation waveforms of two-phase ground fault 表 2 实验系统参数 Tab.2 Parameters of experiment system 参 数 数 值 发电机额定转速 /(r/min) 1 500 极对数 2 系统功率 / kW 7.5 网测线电压 / V 380 电网频率 / Hz 50 Z 源网络电容电压 / V 570 Z 源网络电容 / mF 2 Z 源网络电感 / mH 3 超级电容 / F 16.5 超级电容初电压 / V 300 超级电容最大电压 / V 480 实验系统实物如图 11 所示， 采用异步电
31、机拖动永磁同步发电机发电，功率通过三相不可控整流器和 Z 源逆变器后并入由两个串联的调压器产生22的不对称电网，由于实验条件所限，本文只针对不对称电网电压进行稳态实验。单个 Z 源网络电容采用 680F/450V 的电解电容两串六并组成。超级电容选用 Maxwell 公司的超级电容器产品，具体型号为： BMOD0165 P048，单节工作电压为 48V，单节的额定容量为 165F，采用 10 节超级电容串联方式。 图 11 实验系统实物 Fig.11 The photo of experimental system 图 12 为传统控制方法下电网发生单相接地故障、两相短路故障和两相接地故障时，
32、电网三相电压、 Z 源网络电容电压、 Z 源网络输出电压以及并网电流的稳态实验波形。由图 12 可知在电网电压发生三种不对称故障时， Z 源网络电容电压虽然没有大幅升高，但明显含有二倍频波动。为减少系统成本，基于 Z 源逆变器的风力发电能量转换系统机侧均采用二极管不控整流， Z 源网络电容电压的二倍频分量无法得到有效抑制，导致了 Z 源网络输出电压产生二倍频振荡，这个振荡的二倍工频电压将引起有功功率中二倍频的能量波动，从而导致并网电流发生畸变。 （ a）单相接地故障 （ b）两相短路故障 万方数据 第 31 卷增刊 1 黄守道 等 基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越策略 99
33、（ c）两相接地故障 图 12 传统控制方法下的实验波形 Fig.12 Experimental waveforms under the traditional control strategy 图 13 为本文所提出的控制方法下电网发生单相接地故障、两相短路故障和两相接地故障时，电网三相电压、 Z 源网络电容电压、 Z 源网络输出电压、并网电流、以及超级电容端电压、输出电流的稳态实验波形。由图 13a图 13c 可知电网电压发生三种不对称故障时， Z 源网络电容电压稳定在570V，不仅没有发生泵升，还消除了其中的二倍频分量，说明储能装置的功率吞吐量，可以很好地跟踪了发电机输出功率和 Z 源逆
34、变器输出功率之差。此外， Z 源网络输出电压峰值稳定在 630V，并未出 （ a）单相接地故障下稳态波形 （ b）单相接地故障下超级电容实验波形 （ c）两相短路故障下稳态波形 （ d）两相短路故障下超级电容实验波形 （ e）两相接地故障下稳态波形 （ f）两相接地故障下超级电容实验波形 图 13 所提控制方法下的实验波形 Fig.13 Experimental waveforms under the proposed control strategy 万方数据 100 电 工 技 术 学 报 2016 年 现二倍工频振荡，并网电流对称，正弦性好，说明正负序电流得到了有效的控制。图 13d图
35、13f 为故障时超级电容的电压、电流波形，首先给超级电容预充电，使其达到初始电压 300V，此时超级电容输出电流为 0。接入模拟不对称电网后，由于 Z 源逆变器限流产生的能量差流入储能装置，超级电容充电，电压上升，超级电容电流从最大值逐渐减小。当 Z 源逆变器从不平衡电网断开后，超级电容端电压稳定在一个定值，这个值应低于其最大电压480V，并留有一定裕量，此时超级电容输出电流恢复到 0。 6 结论 通过对电网不对称故障时系统功率流动的分析，得出故障时由于 Z 源逆变器限流产生的能量差将引起 Z 源网络电容电压伴随有二倍频分量的泵升。本文提出一种基于 Z 源逆变器的永磁直驱风电系统不对称故障穿越
36、策略，通过储能型 Crowbar 装置，使发电机输出功率和 Z 源逆变器输出功率之差与储能装置的功率吞吐量相匹配。和传统控制策略相比，本文所提控制方法不仅避免了 Z 源网络电容电压的泵升，还消除了其中的二倍频分量，增强了系统的可靠性。另外，通过在正负序同步坐标变换下电网正负序电压分别定向的方法，使并网电流对称，正弦性良好，保证不对称故障时，风电系统不脱网运行。 参考文献 1 张千帆 , 董帅 , 周超伟 , 等 . Z 源逆变器直通电流回路及功率开关管电流应力分析 J. 电工技术学报 , 2016, 31(4): 124-128. Zhang Qianfan, Dong Shuai, Zhou
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