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
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中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
湖南大学电气与信息工程学院的研究人员黄守道、张阳、荣飞，在2016年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，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。
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源并网逆变器的数学模型，该系统采用d、q轴解耦的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，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，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。
图11 实验系统实物
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。