基于微電網(wǎng)的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越策略研究

趙化峰，郭權(quán)利

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

基于微電網(wǎng)的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越策略研究

趙化峰，郭權(quán)利

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

提出了一種基于微電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略，以提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力。策略包含風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器、風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)換流器兩部分。網(wǎng)側(cè)換流器策略是令網(wǎng)側(cè)換流器工作于STATCOM模式以達(dá)到為電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?；機(jī)側(cè)換流器策略是以恒功率因數(shù)模式向電網(wǎng)提供無功功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，本策略可以在故障發(fā)生后使機(jī)端電壓由110 V左右提升至300 V左右，并抑制直流母線電壓的驟升，減小暫態(tài)過程對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的危害，提高風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略；微電網(wǎng)；低電壓穿越

微電網(wǎng)作為一種消納分布式電源的有效手段，具有著極大的發(fā)展?jié)摿ΑｏL(fēng)力發(fā)電機(jī)作為其中重要的組成部分，是否能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)關(guān)系到整個(gè)微電網(wǎng)，特別是孤島運(yùn)行模式下微電網(wǎng)的穩(wěn)定。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型，但因?yàn)槠渥兞髌魅萘勘容^小，所以對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抵御能力也變得較弱，因此此類機(jī)型要實(shí)現(xiàn)低電壓穿越難度較大[1]。針對(duì)我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)的LVRT要求[2]，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)DFIG的LVRT技術(shù)進(jìn)行了大量研究。研究大致分為兩個(gè)方向：一種是對(duì)現(xiàn)有的矢量控制策略進(jìn)行改進(jìn)[3]；另一種則是通過增加硬件改變電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)LVRT。改進(jìn)矢量控制策略方法的優(yōu)點(diǎn)是不用增加額外的設(shè)備投資。通過增加硬件的方式實(shí)現(xiàn)LVRT，其優(yōu)點(diǎn)主要有：①在電壓跌落非常嚴(yán)重的情況下也可以實(shí)現(xiàn)LVRT[4]。如C. Zhan 和P. S. Flannery 等人提出使用一個(gè)額外的電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器來提高DFIG機(jī)組的LVRT能力的方法甚至可以實(shí)現(xiàn)零電壓穿越[5-7]；②可以吸收風(fēng)電機(jī)組上由于電壓跌落而無法及時(shí)送出的電磁功率。如增加轉(zhuǎn)子側(cè)撬棒電路，這一做法也是目前ABB、GE等制造商普遍采用的方法。本文提出了一種基于微電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略，以提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力。

1 控制策略

1.1 概述

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器工作于STATCOM工作模式，為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)的無功支撐，機(jī)側(cè)換流器則以恒功率因數(shù)的方式工作，通過人為給定功率因數(shù)的方式從定子側(cè)向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。當(dāng)直流母線電容穩(wěn)定后，儲(chǔ)能裝置工作于放電狀態(tài)，為換流器供電。

1.2 網(wǎng)側(cè)換流器控制策略

在傳統(tǒng)的矢量控制策略中，通常設(shè)定電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)換流器間沒有無功交換。但在故障狀態(tài)下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的LVRT，需要網(wǎng)側(cè)換流器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行一定的無功補(bǔ)償，由于故障情況繁雜，若僅依靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償量，必然影響響應(yīng)速度，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的矢量控制策略進(jìn)行改進(jìn)。由于DFIG網(wǎng)側(cè)換流器結(jié)構(gòu)類似于STATCOM，故可在系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，令網(wǎng)側(cè)換流器工作于STATCOM狀態(tài),使其根據(jù)電網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功發(fā)出量。

由網(wǎng)側(cè)換流器等效電路可得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程：

(1)

式中：uga、ugb、ugc為電網(wǎng)三相電壓；ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)換流器三相電壓；ia、ib、ic為網(wǎng)側(cè)換流器三相電流；Rg、Lg為網(wǎng)側(cè)換流器串聯(lián)的電阻和電感。

經(jīng)派克變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)換流器電壓方程：

(2)

式中：ugd、ugq為電網(wǎng)電壓的直軸、交軸分量；ud、uq為網(wǎng)側(cè)換流器電壓的直軸、交軸分量；id、iq為網(wǎng)側(cè)換流器電流的直軸、交軸分量；ωs為同步角速度；p為微分。

換流器直流側(cè)電流方程：

(3)

式中：udc為直流母線電壓；C為直流母線電容；idcs為網(wǎng)側(cè)換流器直流電流；idcr為機(jī)側(cè)換流器直流電流。

忽略換流器損耗有：

(4)

式中：m為網(wǎng)側(cè)換流器調(diào)制系數(shù)。

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(2)、式(5)，以及機(jī)端電壓—無功電流變換控制方程，得到網(wǎng)側(cè)換流器的控制方程：

(6)

式中：Kip為電流內(nèi)環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益；Kil為電流內(nèi)環(huán)的積分調(diào)節(jié)增益；Kup為電壓外環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益；Kul為電壓外環(huán)的積分調(diào)節(jié)增益；Ksp為機(jī)端電壓變換為無功電流的比例調(diào)節(jié)增益；Ksl為機(jī)端電壓變換為無功電流的積分調(diào)節(jié)增益；角標(biāo)中的ref表明該量為參考值。

控制框圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的網(wǎng)側(cè)換流器矢量控制策略

1.3 機(jī)側(cè)換流器控制策略

風(fēng)電機(jī)組為充分利用發(fā)電機(jī)容量多運(yùn)行于單位功率因數(shù)。但目前，風(fēng)電機(jī)組的利用率并不高，其中一部分容量處于閑置狀態(tài)。因此，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可利用這部分剩余容量為系統(tǒng)無功補(bǔ)償。在故障狀態(tài)下，為了起到支撐系統(tǒng)電壓的目的，需要風(fēng)機(jī)定子向系統(tǒng)輸出無功，因此有必要調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的無功功率參考值。在傳統(tǒng)的矢量控制策略中，需要人工給定無功功率參考值，本文則參考火電機(jī)組的運(yùn)行方式，采取定功率因數(shù)的控制策略來實(shí)現(xiàn)定子側(cè)的無功補(bǔ)償。具體為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)初始值設(shè)置為0.95，之后可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)修正。

異步發(fā)電機(jī)磁鏈方程：

(7)

式中：角標(biāo)中的s表示定子變量；r表示轉(zhuǎn)子變量；Ψdq為磁鏈?zhǔn)噶吭谥陛S和交軸上的分量；L為繞組自感；Lm為定、轉(zhuǎn)子間的互感。

取定子磁鏈?zhǔn)噶糠较驗(yàn)橥阶鴺?biāo)系的d軸，則定子電壓將落在q軸上，則雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓磁鏈方程：

(8)

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，機(jī)側(cè)換流器無功功率方程為

(9)

式中：Qs為定子輸出的無功功率。

將式(7)、式(8)帶入式(9)可得：

(10)

由式(10)以及功率因數(shù)—無功功率換算公式可得風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)換流器無功功率外環(huán)控制方程：

(11)

式中：irdref為轉(zhuǎn)子直軸參考電流；KQP為無功功率外環(huán)的比例調(diào)節(jié)增益；KQI為無功功率外環(huán)的積分調(diào)節(jié)增益；Qref為風(fēng)機(jī)定子發(fā)出無功功率的參考值；Qs為風(fēng)機(jī)定子實(shí)際輸出的無功功率；Ps為風(fēng)機(jī)定子實(shí)際輸出的有功功率。

改動(dòng)后的控制策略如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的機(jī)側(cè)換流器矢量控制策略

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的基于微電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略的正確性，以IEEE9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和1臺(tái)1.5 MW、500 kvar的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，利用PSCAD進(jìn)行仿真驗(yàn)證。分別以傳統(tǒng)的矢量控制策略和本文提出的低電壓穿越策略對(duì)換流器進(jìn)行建模。風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速為10 m/s，風(fēng)能利用系數(shù)為0.28，定子饒阻為0.005 4 pu，轉(zhuǎn)子繞組為0.006 07 pu。風(fēng)機(jī)經(jīng)變壓器接入35 kV電網(wǎng)，故障設(shè)定為6 s時(shí)，35 kV母線發(fā)生單相接地故障，故障時(shí)間0.1 s。

采用本文提出的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略前，直流母線電容端電壓波形如圖3所示，在故障發(fā)生至故障切除前的一段時(shí)間內(nèi)，直流母線電壓急速上升。當(dāng)故障切除后，直流母線電壓下降，但仍無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略前的直流母線電容端電壓波形

采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略前，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓瞬時(shí)值波形如圖4所示。圖中機(jī)端電壓在發(fā)生故障的一瞬間急劇跌落，并在故障發(fā)生至故障切除的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)跌落。從圖5可以看到，在故障發(fā)生之后電壓最低可跌至約110 V。

當(dāng)使用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略時(shí)，機(jī)端電壓瞬時(shí)值波形如圖6所示。通過和圖4比較可知，較使用此策略前，機(jī)端電壓得到了有效提升，故障切除后的電壓波動(dòng)也得到了有效抑制。由圖7可知，故障后電壓最低值約為300 V。

圖4 未采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略的風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓波形

圖5 未采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略的風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓有效值

圖6 采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略后的風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓波形

圖7 采用動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略后的風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓有效值

3 結(jié)束語

從仿真結(jié)果可以看到，使用本文提出的基于微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功發(fā)生策略，可以在故障發(fā)生后使風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓得到一定的提升，并有效抑制直流母線電壓的驟升，減小故障切除后直流母線電壓的波動(dòng)幅度。從而起到降低定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的過電壓、過電流以及穩(wěn)定直流母線電壓的作用，保護(hù)發(fā)電機(jī)繞組和換流器。與此同時(shí)，通過在系統(tǒng)故障狀態(tài)下令風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)輸出無功功率，使機(jī)端電壓得到了一定的提升，從而使DFIG在低電壓狀態(tài)下的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間得到延長(zhǎng)，達(dá)到可以提升DFIG低電壓穿越能力的目的。

[1] 梁紀(jì)峰，戎士洋,齊 全，等.大型風(fēng)電集群無功電壓特性研究[J].東北電力技術(shù)，2015, 36(2)：35-37.

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出版物上日期、時(shí)間、時(shí)刻的表示

1 全數(shù)字式日期表示法

①一個(gè)全數(shù)字式日期由時(shí)間元素“年、月、日”組成。

②一個(gè)全數(shù)字日期應(yīng)按如下順序表示：即年、月、日。

③全數(shù)字日期只允許用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，即“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”。如果需要，也可使用分隔符。

④時(shí)間元素的表示：年用4位數(shù)表示；月用2位數(shù)表示；日用2位數(shù)表示。

⑤1981年8月24日可表示為如下形式之一；

19810824(不用分隔符)；1981-08-24(用連字符分隔)；1981 08 24(用間隔字符分裂隔)。

2 時(shí)間、時(shí)刻的表示

①表示時(shí)間。例如：“今天植樹共用了1 h 30 min 30 s。

②表示時(shí)刻。例如：“1959年10月23日10時(shí)53分10秒。”“明天上午9 h 30 min”。

③“星期(周)、月、年”不是時(shí)間的法定計(jì)量單位，但仍可按習(xí)慣使用。

3 日期與時(shí)間的組合表示

當(dāng)日期與時(shí)間的表示組合時(shí)，其時(shí)間元素應(yīng)按如下順序排列：年、月、日、時(shí)、分、秒。

例如：當(dāng)陽歷日期1981年8月25日與時(shí)間14時(shí)12分36秒組合時(shí)，可表示為“19810825141236”(在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間交換時(shí)用)；或“1981-08-25-14:12:36”(便于人們理解)。

4 a(年)、d(天)、h(小時(shí))在敘述文中的用法

①電臺(tái)每天播放18 h。

②每隔1～2 a，舉辦1次國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)。

③3 d后，我們?nèi)ケ本?/p>

需要說明的是，以上用法只是作為一種可以表述的方法提出來，目前并不著意強(qiáng)調(diào)其使用。

摘自《量和單位的使用原則及方法》

Research on Control Strategy to Improve Low Voltage Ride-Through Capability of Double Fed Induction Generator Based on Microgrid

ZHAO Huafeng, GUO Quanli

(School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang， Liaoning 110136，China)

A strategy of dynamic reactive power is proposed which can improve low voltage ride-through capability of double fed induction generator.The strategy includes two parts which is grid-side converter control strategy of wind turbine and rotor-side converter control strategy of wind turbine. In grid-side converter control strategy, the grid-side converter works at STATCOM mode to compensate reactive power dynamically for power system. In rotor-side converter control strategy, the rotor-side converter provides reactive power to power system with constant power factor. The results show that the strategy improves the terminal voltage of wind turbines from 110 V to 300 V and a sudden rise of DC bus voltage can be inhibited. This strategy decreases the damage of transient process to wind turbines and improves low voltage ride-through capability of double fed induction generator.

double fed induction generator; dynamic reactive power provide strategy; microgrid; low voltage ride-through

TM614

A

1004-7913(2017)02-0005-04

趙化峰(1990)，男，碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、微電網(wǎng)控制策略、保護(hù)技術(shù)及電能質(zhì)量。

2016-12-01)