直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機(jī)組低電壓穿越的控制策略研究

崔立悅++高桂革++曾憲文

摘 要：永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)恒頻變速發(fā)電系統(tǒng)可通過全功率變流器與電網(wǎng)連接。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，不僅會對發(fā)電機(jī)造成損壞，還會影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。分析了系統(tǒng)故障期間機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)功率不平衡的機(jī)理，基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性儲能及換流器無功補(bǔ)償能力，提出了一種新型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)故障穿越策略。在電網(wǎng)側(cè)故障期間通過提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速配合直流側(cè)儲能系統(tǒng)消耗機(jī)側(cè)富余功率，以減低直流系統(tǒng)輸出的不平衡功率，抑制故障期間直流側(cè)電壓攀高。應(yīng)用仿真軟件建立了單機(jī)系統(tǒng)的模型，仿真結(jié)果驗證了控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：永磁風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；儲能設(shè)備；無功補(bǔ)償

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.015

近年來，風(fēng)電技術(shù)得到了飛速發(fā)展，風(fēng)電場的裝機(jī)容量也逐年增高，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)影響已經(jīng)不可忽視。電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力的要求也越來越嚴(yán)格，其中，主要有對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的要求。我國于2011年制定了風(fēng)電技術(shù)接入電網(wǎng)的規(guī)定，不僅要求風(fēng)電系統(tǒng)具備低電壓穿越的要求，還要求低電壓穿越期間風(fēng)電機(jī)組具備一定的無功控制補(bǔ)償能力。

直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組（PMSG）與電網(wǎng)之間通過背靠背變流器實現(xiàn)了隔離，采用大功率變流器進(jìn)行換流操作，相比雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組，在故障穿越能力和無功控制能力上具有更大的優(yōu)勢。目前，有不少研究者對該方面進(jìn)行了改進(jìn)研究，曾提出利用變流器控制直流電壓穩(wěn)定及電流正負(fù)序分量實現(xiàn)不對稱故障穿越，而這需要對故障迅速反應(yīng)，檢測要求高；添加混合儲能裝置，故障時可吸收機(jī)側(cè)輸出功率，穩(wěn)定直流鏈電壓，實現(xiàn)故障穿越，但未發(fā)揮儲能裝置的后續(xù)作用；還有人提出了一種變流器控制方案，可調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)變流器輸出功率，機(jī)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)為快速響應(yīng)電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，參考值最大功率跟蹤，故障時可切換模式，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，限制輸出功率；有人提出網(wǎng)側(cè)變流器故障下STATCOM運行模式，故障時可調(diào)整變流器功率因數(shù)，為電網(wǎng)提供無功支持；有人提出應(yīng)減小電機(jī)輸出功率，實現(xiàn)故障時低電壓穿越控制，直流電壓值基本保持穩(wěn)定，但電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，對電機(jī)損傷較大。

本文提出了一種基于儲能的低電壓故障穿越控制策略，用以解決系統(tǒng)故障期間風(fēng)電機(jī)組有功功率不平衡和無功功率的支撐的問題，實現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的低電壓穿越。采取風(fēng)電機(jī)組慣性儲能配合直流側(cè)儲能設(shè)備消耗來自電網(wǎng)電壓跌落時產(chǎn)生的有功不平衡功率，故障期間網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓控制模式運行，為系統(tǒng)提供了無功支持，最后通過仿真驗證了控制策略的可行性和有效性。

1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

1.1 風(fēng)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及動力模型

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、直流電容、網(wǎng)側(cè)逆變器等組成。永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過機(jī)側(cè)整流器變?yōu)橹绷骱?，再由網(wǎng)側(cè)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電輸入電網(wǎng)。

常見風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三葉機(jī)、水平軸風(fēng)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)作用在風(fēng)輪上，風(fēng)輪只能吸收風(fēng)能的一部分。由空氣動力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)的輸出功率為：

式（1）（2）中：S為葉片旋轉(zhuǎn)面積；ρ為空氣密度；Vw為風(fēng)速；β為葉片的槳距角；λ為葉尖速比；ωw為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；R為風(fēng)輪半徑。

根據(jù)貝茨理論可知，上述CP為風(fēng)能系數(shù)，具體表達(dá)式如下：

在不同的β角和λ的取值情況下，可計算得到風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)曲線。

1.2 系統(tǒng)低電壓特性分析

本文采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)背靠背雙PWM變流器接入電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的風(fēng)能機(jī)械功率為Pm，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率為Ps，網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率為Pg. 在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)且不計損耗的情況下，Pm=Ps=Pg. 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及直流母線電壓都可保持穩(wěn)定。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)故障時，電網(wǎng)側(cè)電壓跌落，由于系統(tǒng)功率震蕩及變流器的限流控制，網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率Pg不穩(wěn)定。而因全功率變流器具有的隔離作用，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器輸出電磁功率Ps 僅取決于風(fēng)速的變化，不會隨電網(wǎng)側(cè)輸出功率變化而變化，將導(dǎo)致直流側(cè)功率的不平衡，直流母線電壓升高和劇烈振動會影響風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，為了抑制直流母線的振動，提高直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的低電壓穿越能力，需要在風(fēng)機(jī)直流側(cè)安裝輔助設(shè)備，幫助消耗或存儲風(fēng)機(jī)的不平衡能量，從而實現(xiàn)低電壓穿越。

2 低電壓穿越的控制策略

早本文提出的控制策略中，直流母線電壓與發(fā)電機(jī)定子電壓受控于機(jī)側(cè)變流器，而不是受控于網(wǎng)側(cè)變流器，這種變換有利于故障時的系統(tǒng)低電壓穿越能力。利用風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械慣性存儲電網(wǎng)故障引起的不平衡能量。以往的控制方法都是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時才進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，而槳距角調(diào)節(jié)速度過慢，對短時故障的作用甚微。本文采取直流側(cè)儲能切入代替緊急變槳，從而存儲故障時的不平衡能量。此外，網(wǎng)側(cè)變流器還可控制輸出有功功率和無功功率，在故障時向電網(wǎng)提供無功支持。

2.1 機(jī)側(cè)變流器控制

發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制方法在外環(huán)控制與傳統(tǒng)方法不同，由定子電壓和直流母線電壓偏差產(chǎn)生發(fā)電機(jī)定子電流參考值i*sd和i*sq，isq控制發(fā)電機(jī)電磁功率與電網(wǎng)變流器輸出有功功率始終相同，將直流側(cè)功率的不平衡轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率的不平衡，并將不平衡能量存儲在轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，從而實現(xiàn)低電壓穿越。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制框圖如圖1所示，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器外環(huán)控制框圖如圖2所示。

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器控制方法中，外環(huán)控制與傳統(tǒng)控制的方法不同。電網(wǎng)側(cè)逆變器通過對電網(wǎng)電壓的判斷，可實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸出有功和無功功率的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，運行最大功率跟蹤模式；當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，運行無功功率優(yōu)先控制模式。同時，為了避免有功電流突變引發(fā)直流側(cè)電容充放電電流突變，在電網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的有功電流控制環(huán)節(jié)增加了限流控制，有效抑制了因電網(wǎng)側(cè)逆變器工作模式切換而引起的直流側(cè)電壓的振動。

當(dāng)因電網(wǎng)短路故障而引起電壓跌落時，風(fēng)電場在低電壓穿越過程中向電網(wǎng)注入的無功電流為：

Iq≤1.5×（0.9-Ug）IN，0.2≤Ug≤0.9. （5）

式（5）中：Ug為風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電場額定電流。

由式（5）可計算無功優(yōu)先控制時的無功電流。電網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)控制框圖如圖3所示。

2.3 低電壓穿越控制流程

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，電網(wǎng)側(cè)電壓跌落，參考網(wǎng)側(cè)電壓對機(jī)側(cè)有功功率重新計算，減小有功參考值輸出，使機(jī)側(cè)輸入功率與網(wǎng)側(cè)輸出功率動態(tài)平衡。由于機(jī)械功率無法突變，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會繼續(xù)上升。如果輕度跌落，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速未超過額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)成功實現(xiàn)低電壓穿越；如果轉(zhuǎn)速超出最大轉(zhuǎn)速ωmax，則切除變槳停止轉(zhuǎn)速上升，投入直流側(cè)儲能系統(tǒng)，消耗不平衡有功。如果將儲能系統(tǒng)與變槳減出力協(xié)調(diào)控制，則能更好地實現(xiàn)低電壓穿越。

3 系統(tǒng)仿真

為了驗證所提出的控制策略效果，搭建了電系統(tǒng)仿真模型，主要參數(shù)如表1所示。電網(wǎng)輕度跌落各變量波形如圖5所示。

由仿真結(jié)果圖4可以看出，電網(wǎng)電壓跌落20%時，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，可儲存多余的有功功率，直流側(cè)電容電壓升高，而電機(jī)轉(zhuǎn)速在故障時間內(nèi)持續(xù)上升，并超出系統(tǒng)安全值。在網(wǎng)側(cè)故障切除后，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降至正常運行時的速度，系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越。電網(wǎng)深度跌落變量波形如圖6所示。

（a）電網(wǎng)側(cè)電壓 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

（c）機(jī)側(cè)有功功率輸出 （d）直流側(cè)電容電壓

由圖5可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落80%時，跌落的瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈直線迅速上升。在故障時間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到系統(tǒng)運行安全值，轉(zhuǎn)速停止上升。此時，直流側(cè)電壓迅速攀高，投入直流側(cè)儲能裝置，吸收剩余的電功率。直流側(cè)電壓回降，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨時間的推移降低。故障時間內(nèi)能保持不脫網(wǎng)運行，最終實現(xiàn)了低電壓穿越。

4 結(jié)束語

本文對電網(wǎng)電壓跌落時直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越過程進(jìn)行了研究，針對電機(jī)轉(zhuǎn)子儲能這一特點提出了一種新的控制策略，故障期間利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升了慣性動量和直流側(cè)儲能系統(tǒng)，用以儲存系統(tǒng)剩余功率，減小直流系統(tǒng)輸出的不平衡功率，阻止直流側(cè)電壓攀高。仿真并驗證了PMSG在此控制策略下的低電壓穿越能力，具有一定的實用性。

參考文獻(xiàn)

[1]董博，許曉艷，馬爍，等.基于長過程動態(tài)仿真的風(fēng)電接入對系統(tǒng)頻率控制影響研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（12）.

[2]MOHSENI M，ISLAM S M. Review of international grid codes for wind power integration： diversity，technology and a case for global standard.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（06）.

[3]高峰，周孝信，朱寧輝，等.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（11）.

[4]Ki-Hong Kim，Yoon-Cheul Jeung，Dong-Choon Lee.LVRT Scheme of PMSG Wind Power Systems Based on Feedback Linearization.IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，2012，5（27）.

[5]姚駿，陳西寅，廖勇.電網(wǎng)電壓不平衡時永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，14（39）.

[6]侯桂欣，劉其輝，謝孟麗.對稱及不對稱電網(wǎng)故障下的電池儲能系統(tǒng)低電壓穿越控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，10（41）.

[7]候世英，房勇，曾建興.應(yīng)用超級電容提高風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2010，14（05）.

[8]Hansen A.D，Michalke G.Multi-pole permanent magnet synchronous generator wind turbines grid support capability in uninterrupted operation during grid faults.IET Renew.Power Gener，2009，3（03）.

[9]Molinas M，Suul J.A，Undeland T.Low Voltage Ride Through of Wind Farms With Cage Generators：STATCOM Versus SVC.IEEE Trans.on Power Electronics，2008，23（03）.

[10]Jun Li，Dujiang Li，Lei Hong.A Novel Power-flow Balance LVRT Control Strategy for Low-speed Direct-drive PMSG Wind Generation System.IEEE，2010（05）.

[11]Li Yan，Chi Yongning.Study on LVRT Capability of D-PMSG Based Wind Turbine.IEEE，2011（18）.

[12]張磊，梅柏杉.電網(wǎng)電壓跌落對永磁同步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)的影響[J].華東電力，2010，38（1）.

[13]黨存祿，林國富.超導(dǎo)儲能在并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（16）.

〔編輯：張思楠〕