1. 引言

　　随着传统能源的日益枯竭和人们环保意识的逐渐增强，可再生能源发电得到了越来越大的关注和发展，其中尤以风力发电系统最为突出[1,2]。风力发电系统通常采用接入电网的方式发电。随着接入电网的风机容量越来越大，其对电网的影响将不容忽略。这也促使电网对风力发电系统接入电网提出了越来越严格的要求，其中尤以低电压穿越(LVRT)最为关键。通过对电网电压跌落时风力发电系统脱网引发的大范围电网停电事故的思考，我国也公布了相应的风力发电系统并网技术标准，其中就包括了对风力发电系统低电压穿越的要求。当电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，如图2 所示，风电机组/风电场能够保证不脱网连续运行[4]。永磁直驱风力发电系统以其优越的性能和易于实现低电压穿越，得到了较为广泛的应用[5]。电压跌落期间,永磁直驱系统的主要问题在于网侧变流器注入电网的功率和发电机发出的功率不匹配，从而导致直流电压的上升[6]。为了抑制电网故障期间直流侧电压的上升，一种方法是在直流侧环节加入制动电阻耗散或者采用储能系统存储多余的能量[7, 8].这种方法能够在电网故障期间，维持网侧和机侧的功率平衡;在电网电压恢复后，能够使得系统迅速恢复到故障前的状态。文献[8,9]提出了在故障期间改变机侧相应指令的控制策略，即当检测到电网故障时，迅速增大转速指令[8], 或者迅速减小发电机的功率指令[9]，从而减小机侧流入直流侧的功率，抑制直流侧电压上升。文献[10,11,12]

　　提出了一种交错控制结构，即直流侧电压由机侧变流器控制，而由网侧逆变器实现风能最大功率跟踪。不同于传统的控制结构，这种控制方式下机侧变流器能够在低电压穿越期间主动地减少机侧输出的功率，稳定直流侧电压。机侧变流器稳定直流侧电压的控制结构，一方面能够在电网电压跌落时抑制直流侧电压的上升，提供较好的低电压穿越性能;令一方面为网侧变流器的控制提供了较大的自由性[13,14]。然而在这种控制结构下，由于网侧和机侧变流器控制目标的交错，从而使得在系统的控制环路中引入了由中间直流侧电容引起的大时间常数。

　　本文通过建立永磁直驱风力发电系统的简化数学模型，对系统进行了小信号分析，得出在电网电压跌落和风速波动时，直流侧电压会有较大波动。通过分析引起直流侧电压波动的原因，研究了在机侧变流器控制中引入网侧功率前馈对直流侧电压控制的改善作用。

　　2. 风力发电系统模型

　　永磁直驱风力发电系统是一个复杂的机械电磁系统，如图3 所示，它主要包括风机机械传动链、永磁同步发电机和全功率变流器。本节给出了风力发电系统各个部分的简化数学模型。

　　2.1 风机机械传输链

　　当研究并网风力发电系统时，风机通常由以下代数表达式来描述，

　　2.2 永磁电机和机侧变流器

　　通常机侧变流器按照转子磁场定向矢量控制算法控制永磁电机。机侧变流器通过PWM 调制控制变流器端口电压，控制流入永磁电机的电流，从而产生相应的电磁转矩，因此可以将永磁电机和机侧变流器看成一个整体。

　　在交错控制结构下，电磁转矩指令由直流侧电压控制器来给定，一般直流侧电压控制器为PI 控制器，因此

　　2.3 直流侧

　　机侧变流器控制永磁电机电磁转矩，控制风机从当前风速下捕获一定的风能，并将风能转化为电磁功率流入到中间直流侧;再通过网侧变流器将能量传输到电网中。由直流侧功率守恒，可以得到直流侧电压的动态方程为，

　　当电网电压不变时，网侧变流器通过控制变流器端口电压，控制注入电网的电流，从而向电网传输一定的有功功率和无功功率。同样，也可以将网侧变流器的电流环近似为一阶小惯性环节，即

　　3. 小信号分析

　　设系统工作在某一个稳态工作点附近， 并在系统稳态工作点附近对系统进行小信号线性化。

　　3.2. 电网电压跌落时

　　在正常工况下，网侧功率跟随功率指令，保持直流侧功率平衡。但当电网电压跌落时，网侧注入到电网中的功率grid P 将会存在扰动;尤其在电压跌落较深时，功率环输出的电流指令饱和，注入电网的功率和功率指令有偏差，从而使得直流侧功率不平衡。因此，这种情况下为维持直流侧功率平衡，需要减小机侧电磁功率。

　　文献[10]提出的机侧变流器控制直流侧电压的控制结构中，机侧变流器的q 轴电流指令是由直流侧电压PI 控制器给定的。由式(8)直流侧电压的动态方程可知，为保持直流侧电压恒定，PI 控制器调整机侧的电磁功率等于网侧输出功率。式(8)中, Pgrid 反应了网侧功率的变化，可以看作是对直流侧电压的扰动。因此，在直流侧电压的控制环节中，加入Pgrid 的前馈项，可以使得机侧电磁功率快速跟踪网侧输出功率的变化，减少直流侧电压的波动。另外，由小信号分析可知，由于机侧变流器控制直流侧电压，而网侧变流器实现最大风能跟踪，当风速波动或者电网电压跌落使得网侧输出功率波动时，由于机侧变流器输出的电磁功率始终滞后于网侧输出功率，这会使得直流侧电压有波动。当机侧直流侧电压控制器只采用PI 控制器时，直流侧电压会有较大的波动。

　　在机侧直流电压控制器中加入网侧功率前馈后，控制框图如图所示。机侧变流器q 轴电流的指令是直流侧电压PI 控制器的输出和网侧功率前馈分量Pgrid/ω的和。q 轴电流环能够快速跟踪电流指令，控制电机的电磁功率。当网侧功率波动时，前馈分量Pgrid/ω 能够快速反应网侧功率的变化，并调整电流指令，由于电流环响应速度较快，从而能够快速调整机侧电磁功率，达到机侧和网侧的功率平衡，抑制直流侧电压的波动。尤其在电网电压跌落幅度较深时，网侧输出功率迅速较少，如果机侧输出功率不能较快的跟踪网侧功率的变化，这会使得直流侧电压上升，从而危及变流器功率器件的安全。

　　5. 仿真结果

　　为了验证网侧功率前馈对直流侧电压控制的改善作用，在PSCAD/EMTDC 下对2MW 的永磁直驱风力发电系统进行了仿真研究。图5 为风速波动时采用网侧功率前馈和不采用网侧功率前馈两种控制方法下，直流侧电压的响应。如图5(b)所示，当风速波动时，风机转速也会有响应的波动，由于网侧输出功率跟踪最大风能，Pgrid 也会随风速波动。由于机侧直流电压控制器采用，使得机侧电磁功率Pe 不能快速跟踪网侧功率Pgrid 的变化，从而导致直流侧电压有较大的波动。图5(a)为采用网侧功率前馈控制方法的效果。虽然直流侧电压PI 控制器采用相同的控制参数，但是由于Pgrid 前馈项能够快速反应网侧功率的变化，进而调节机侧电磁功率与网侧功率平衡，维持直流侧电压稳定，且直流侧电压波动较小。图6 所示为电网电压跌落时采用网侧功率前馈和不采用网侧功率前馈两种控制方法下，直流侧电压的响应。在t=10s 时，电网电压由1pu.跌落至额定电压的20%，并持续1s，然后电网电压恢复至额定值。当电网电压跌落时，由于网侧变流器有功电流限幅，使得网侧输出功率下降，机侧功率和网侧功率之间的差值使得直流侧电压上升。由于直流侧电压由机侧变流器控制，直流侧电压控制器会减小网侧输出的电磁功率。但当直流侧电压控制只采用PI 控制器时，不能快速调整机侧电磁功率，不能有效抑制直流侧电压的上升，如图(a)所示。图(b)为机侧控制中加入网侧功率前馈，低电压穿越时直流侧电压的响应。如图所示，电磁功率Pe 能够及时跟踪网侧功率Pgrid 的变化，直流侧电压上升得到了有效的抑制。

　　6. 结论

　　本文在机侧变流器稳定直流侧电压，网侧变流器控制输出功率的交错控制结构下，通过对系统简化模型的小信号分析，分析了在风速波动和电网电压跌落时直流侧电压会存在波动。在分析的基础上，本文提出了在机侧直流电压控制中引入网侧功率前馈环节的控制方法。当网侧输出功率因风速波动或者电网电压跌落而发生变化时，通过网侧功率前馈的作用，机侧图6.电网电压跌落时直流侧电压的响应a) 采用网侧功率前馈;(b) 不采用网侧功率前馈变流器能较快的调整电磁功率，从而使得直流侧环节功率平衡，抑制直流侧电压的波动或者上升。仿真结果验证了网侧功率前馈改善直流侧电压控制的有效性。