1. 引言
隨著傳統能源的日益枯竭和人們環保意識的逐漸增強，可再生能源發電得到了越來越大的關注和發展，其中尤以風力發電系統最為突出[1,2]。風力發電系統通常采用接入電網的方式發電。隨著接入電網的風機容量越來越大，其對電網的影響將不容忽略。這也促使電網對風力發電系統接入電網提出了越來越嚴格的要求，其中尤以低電壓穿越(LVRT)最為關鍵。通過對電網電壓跌落時風力發電系統脫網引發的大范圍電網停電事故的思考，我國也公布了相應的風力發電系統并網技術標準，其中就包括了對風力發電系統低電壓穿越的要求。當電力系統事故或擾動引起并網點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內，如圖2 所示，風電機組/風電場能夠保證不脫網連續運行[4]。永磁直驅風力發電系統以其優越的性能和易于實現低電壓穿越，得到了較為廣泛的應用[5]。電壓跌落期間,永磁直驅系統的主要問題在于網側變流器注入電網的功率和發電機發出的功率不匹配，從而導致直流電壓的上升[6]。為了抑制電網故障期間直流側電壓的上升，一種方法是在直流側環節加入制動電阻耗散或者采用儲能系統存儲多余的能量[7, 8].這種方法能夠在電網故障期間，維持網側和機側的功率平衡;在電網電壓恢復后，能夠使得系統迅速恢復到故障前的狀態。文獻[8,9]提出了在故障期間改變機側相應指令的控制策略，即當檢測到電網故障時，迅速增大轉速指令[8], 或者迅速減小發電機的功率指令[9]，從而減小機側流入直流側的功率，抑制直流側電壓上升。文獻[10,11,12]
提出了一種交錯控制結構，即直流側電壓由機側變流器控制，而由網側逆變器實現風能最大功率跟蹤。不同于傳統的控制結構，這種控制方式下機側變流器能夠在低電壓穿越期間主動地減少機側輸出的功率，穩定直流側電壓。機側變流器穩定直流側電壓的控制結構，一方面能夠在電網電壓跌落時抑制直流側電壓的上升，提供較好的低電壓穿越性能;令一方面為網側變流器的控制提供了較大的自由性[13,14]。然而在這種控制結構下，由于網側和機側變流器控制目標的交錯，從而使得在系統的控制環路中引入了由中間直流側電容引起的大時間常數。
本文通過建立永磁直驅風力發電系統的簡化數學模型，對系統進行了小信號分析，得出在電網電壓跌落和風速波動時，直流側電壓會有較大波動。通過分析引起直流側電壓波動的原因，研究了在機側變流器控制中引入網側功率前饋對直流側電壓控制的改善作用。
2. 風力發電系統模型
永磁直驅風力發電系統是一個復雜的機械電磁系統，如圖3 所示，它主要包括風機機械傳動鏈、永磁同步發電機和全功率變流器。本節給出了風力發電系統各個部分的簡化數學模型。
2.1 風機機械傳輸鏈
當研究并網風力發電系統時，風機通常由以下代數表達式來描述，
2.2 永磁電機和機側變流器
通常機側變流器按照轉子磁場定向矢量控制算法控制永磁電機。機側變流器通過PWM 調制控制變流器端口電壓，控制流入永磁電機的電流，從而產生相應的電磁轉矩，因此可以將永磁電機和機側變流器看成一個整體。
在交錯控制結構下，電磁轉矩指令由直流側電壓控制器來給定，一般直流側電壓控制器為PI 控制器，因此
2.3 直流側
機側變流器控制永磁電機電磁轉矩，控制風機從當前風速下捕獲一定的風能，并將風能轉化為電磁功率流入到中間直流側;再通過網側變流器將能量傳輸到電網中。由直流側功率守恒，可以得到直流側電壓的動態方程為，
當電網電壓不變時，網側變流器通過控制變流器端口電壓，控制注入電網的電流，從而向電網傳輸一定的有功功率和無功功率。同樣，也可以將網側變流器的電流環近似為一階小慣性環節，即
3. 小信號分析
設系統工作在某一個穩態工作點附近， 并在系統穩態工作點附近對系統進行小信號線性化。
3.2. 電網電壓跌落時
在正常工況下，網側功率跟隨功率指令，保持直流側功率平衡。但當電網電壓跌落時，網側注入到電網中的功率grid P 將會存在擾動;尤其在電壓跌落較深時，功率環輸出的電流指令飽和，注入電網的功率和功率指令有偏差，從而使得直流側功率不平衡。因此，這種情況下為維持直流側功率平衡，需要減小機側電磁功率。
文獻[10]提出的機側變流器控制直流側電壓的控制結構中，機側變流器的q 軸電流指令是由直流側電壓PI 控制器給定的。由式(8)直流側電壓的動態方程可知，為保持直流側電壓恒定，PI 控制器調整機側的電磁功率等于網側輸出功率。式(8)中, Pgrid 反應了網側功率的變化，可以看作是對直流側電壓的擾動。因此，在直流側電壓的控制環節中，加入Pgrid 的前饋項，可以使得機側電磁功率快速跟蹤網側輸出功率的變化，減少直流側電壓的波動。另外，由小信號分析可知，由于機側變流器控制直流側電壓，而網側變流器實現最大風能跟蹤，當風速波動或者電網電壓跌落使得網側輸出功率波動時，由于機側變流器輸出的電磁功率始終滯后于網側輸出功率，這會使得直流側電壓有波動。當機側直流側電壓控制器只采用PI 控制器時，直流側電壓會有較大的波動。
在機側直流電壓控制器中加入網側功率前饋后，控制框圖如圖所示。機側變流器q 軸電流的指令是直流側電壓PI 控制器的輸出和網側功率前饋分量Pgrid/ω的和。q 軸電流環能夠快速跟蹤電流指令，控制電機的電磁功率。當網側功率波動時，前饋分量Pgrid/ω 能夠快速反應網側功率的變化，并調整電流指令，由于電流環響應速度較快，從而能夠快速調整機側電磁功率，達到機側和網側的功率平衡，抑制直流側電壓的波動。尤其在電網電壓跌落幅度較深時，網側輸出功率迅速較少，如果機側輸出功率不能較快的跟蹤網側功率的變化，這會使得直流側電壓上升，從而危及變流器功率器件的安全。
5. 仿真結果
為了驗證網側功率前饋對直流側電壓控制的改善作用，在PSCAD/EMTDC 下對2MW 的永磁直驅風力發電系統進行了仿真研究。圖5 為風速波動時采用網側功率前饋和不采用網側功率前饋兩種控制方法下，直流側電壓的響應。如圖5(b)所示，當風速波動時，風機轉速也會有響應的波動，由于網側輸出功率跟蹤最大風能，Pgrid 也會隨風速波動。由于機側直流電壓控制器采用，使得機側電磁功率Pe 不能快速跟蹤網側功率Pgrid 的變化，從而導致直流側電壓有較大的波動。圖5(a)為采用網側功率前饋控制方法的效果。雖然直流側電壓PI 控制器采用相同的控制參數，但是由于Pgrid 前饋項能夠快速反應網側功率的變化，進而調節機側電磁功率與網側功率平衡，維持直流側電壓穩定，且直流側電壓波動較小。圖6 所示為電網電壓跌落時采用網側功率前饋和不采用網側功率前饋兩種控制方法下，直流側電壓的響應。在t=10s 時，電網電壓由1pu.跌落至額定電壓的20%，并持續1s，然后電網電壓恢復至額定值。當電網電壓跌落時，由于網側變流器有功電流限幅，使得網側輸出功率下降，機側功率和網側功率之間的差值使得直流側電壓上升。由于直流側電壓由機側變流器控制，直流側電壓控制器會減小網側輸出的電磁功率。但當直流側電壓控制只采用PI 控制器時，不能快速調整機側電磁功率，不能有效抑制直流側電壓的上升，如圖(a)所示。圖(b)為機側控制中加入網側功率前饋，低電壓穿越時直流側電壓的響應。如圖所示，電磁功率Pe 能夠及時跟蹤網側功率Pgrid 的變化，直流側電壓上升得到了有效的抑制。
6. 結論
本文在機側變流器穩定直流側電壓，網側變流器控制輸出功率的交錯控制結構下，通過對系統簡化模型的小信號分析，分析了在風速波動和電網電壓跌落時直流側電壓會存在波動。在分析的基礎上，本文提出了在機側直流電壓控制中引入網側功率前饋環節的控制方法。當網側輸出功率因風速波動或者電網電壓跌落而發生變化時，通過網側功率前饋的作用，機側圖6.電網電壓跌落時直流側電壓的響應a) 采用網側功率前饋;(b) 不采用網側功率前饋變流器能較快的調整電磁功率，從而使得直流側環節功率平衡，抑制直流側電壓的波動或者上升。仿真結果驗證了網側功率前饋改善直流側電壓控制的有效性。