【文章推荐】基于优化滑模控制的DD-PMSG并网逆变器不平衡暂态高电压故障穿越

原文发表在《电力电容器与无功补偿》2024年第6期。

https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2024.06.009

基于优化滑模控制的DD-PMSG并网逆变器不平衡暂态高电压故障穿越

许成，周羽生，周文晴，郭顺

(长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114)

一 内容简介

为解决电网不平衡高电压易导致直驱永磁风电机组发生脱网事故的问题，提出了应用滑模控制、虚拟同步电机技术和正、负序电压电流双闭环PWM控制相结合的优化策略。通过对网侧电压电流在dq坐标系下正、负序解耦，在非对称故障下建立序分量电流和功率的关系，计算得出正、负序电流指令值，控制有功减少系统的频率波动，调节无功支撑并网点电压恢复；将电流内环输出作为电压外环部分控制量的输入，对电流内环PI控制优化成滑模控制，增强并网逆变器的稳定性。仿真实验表明优化控制方法的有效性。提高了永磁直驱风电并网系统在不平衡高电压时故障穿越能力和运行稳定性。

二 主要内容

随着新能源占比和风电渗透率不断提高，电力系 统的安全稳定运行面临着新的挑战。近年来，针对风电机组在电压故障下的穿越（voltage ride through，VRT）进行了大量研究，尤其在低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）方面取得了一定的研究成果。然而在不对称故障、电力网络参数或负荷不对称引起的不平衡高电压穿越（unbalanced high voltage ride through，UHVRT）方面的研究尚不多见。电力系统运行中，大容量单相负载的切出、单相接地故障时会发生电网三相不平衡电压升高，或大电容补偿器突然接入也将造成电网电压升高。风电场低电压故障穿越时，因无功补偿协调不同步导致无功过剩，引起并网点电压骤升可导致风机脱网。采用高压直流输电系统，由直流系统发生闭锁或换相失败造成风机高电压脱网也时常发生。因此对风力发电系统高电压穿越问题，尤其是不平衡高电压故障穿越能力尚需进一步研究和提高。

目前有关风电机组高电压穿越控制，可以按机侧、直流母线、网侧及相应的辅助设备3个不同控制区域分类：有作者无源阻尼与转子侧变流器协调控制，来消除双馈异步风力发电机（doubly-fed induction generator，DFIG）在高电压穿越时转子电流和电磁转矩的冲击，同时抑制转子过电压；有作者运用转子回路实际电流的反馈量，抵消转子直流分量来实现抑制转子过电流，在功率平衡基础上计算并考虑变流器的限值电流得到所需的控制电流参考值，避免了直流母线过电压，实现了DFIG高电压穿越控制；有作者为解决永磁直驱风电机组（direct-drive permanent magnet synchronous generator，DD-PMSG）的传统控制策略在HVRT期间存在超速脱网问题，提出浆距角控制来抑制转子转速上升的方法。上述方法都是基于风电机组的机侧控制方法来实现高电压穿越。尽管不同机组类型在高电压故障的暂态特性有所不同，但直流母线上都存在功率不平衡，引起直流母线过电压现象。有作者提出利用超级电容储能系统（super capacitor energy storage system，SCESS）吸收直流母线环节的不平衡功率，提高DD-PMSG的高电压穿越能力；有作者提出基于模拟预测控制、滑模控制等控制理论方法，提出基于模型预测控制与超级电容储能系统协调控制，最大化利用风机自身提供的无功电流，实现直流母线过电压的有效抑制；有作者提出基于超级电容储能装置和变直流母线电压参考值的方法，并运用滑模控制器的二阶非线性自抗扰滑模控制器，来提高直流母线电压的响应性能，表明了直驱风电系统深度高电压穿越控制的有效性；有作者提出一种改进线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control，LADRC）技术，提高直流母线电压的稳定性；文献[6，20]分析了网侧逆变器的可控区，应用直流母线电压参考值自适应调节算法，提高并网逆变器的高电压穿越控制能力；有作者基于虚拟同步电机技术设计了直驱永磁风机高、低电压连续故障穿越策略；有作者运用网侧变流器无功电流优化策略，增加机组无功动态支撑能力。

然而上述研究大多涉及三相对称的高电压故障，对不平衡暂态高电压故障的控制研究不足。本文探讨DD-PMSG如何实现三相不平衡高电压穿越问题，先应用虚拟同步电机（virtual synchronous generator，VSG）技术控制有功和调节无功，减少系统的频率波动和支撑并网点电压恢复。再通过对网侧逆变器电压电流在dq坐标系下正负序解耦，进而采用序分量电压、电流双闭环PWM控制，来实现不平衡高电压穿越。为进一步优化控制效果，最后在传统的负序分量PI控制的基础上，采用优化的滑模控制方法，增强了直驱永磁风电系统的不平衡高电压故障穿越能力。

1 机组控制策略

1.1 机侧变流器控制策略

1.2 网侧逆变器功率调节

2 电网电压不平衡分析

3 基于序分量的虚拟同步电机功率调节

4 优化滑模控制

5 仿真分析

三 结论

针对直驱永磁风电机组在电网电压出现不平衡暂态高电压时存在能量不平衡及功率波动问题，提出了一种基于序分量的网侧逆变器优化滑模控制策略。首先运用虚拟同步电机技术实现有功与频率、无功与电压调节，然后通过正、负序电压电流双闭环控制，以虚拟同步电机参考电压指令值进行PWM脉宽调制，从而控制逆变器在不平衡高电压状况下功率的稳定输出和直流母线电压的稳定；对电流内环PI控制优化成滑模控制，将电流内环的输出量作为电压外环部分控制量的输入，有效增强了抗不平衡暂态高电压的暂态冲击的能力，提高了永磁直驱风电并网系统在不平衡高电压时故障穿越能力和运行稳定性。

作者简介

许成（1996—），男，硕士研究生，研究方向为新能源发电及并网技术。E-mail：163219576@qq.com。

周羽生（1965—），男，教授，通信作者，研究方向为新能源发电与电网安全等。

周文晴（1993—），女，博士研究生，研究方向为新能源电力技术及其灾变防治。

郭顺（1997—），男，硕士研究生，研究方向为电网安全与融冰防灾。 

本文索引

许成，周羽生，周文晴，等. 基于优化滑模控制的DD-PMSG并网逆变器不平衡暂态高电压故障穿越[J]. 电力电容器与无功补偿，2024，45(6)：59-68.

XU Cheng，ZHOU Yusheng，ZHOU Wenqing，et al. Unbalanced transient high voltage fault ride-through of DD-PMSG grid-connected inverter based on optimal sliding mode control[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation，2024，45(6)：59-68.

 功补偿》简介