熊魁，郭雅麗，周峰

（1.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206）

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越控制研究

熊魁1，郭雅麗2，周峰1

（1.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206）

為了提高永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機組（PMSG）并入電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，研究了3種低電壓穿越技術(shù)，提出了結(jié)合增大網(wǎng)側(cè)輸出有功、投切Crowbar電路和調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的控制方案。同時設(shè)計了風(fēng)電機組新的機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的低電壓穿越控制策略，利用能量平衡原理對故障后轉(zhuǎn)速表達式進行了推導(dǎo)。在Matlab/Simulink平臺電壓跌落情況下對直驅(qū)風(fēng)電機組進行一系列的仿真，仿真結(jié)果與理論分析一致，驗證了該控制方案能優(yōu)化系統(tǒng)低電壓穿越的性能。

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機組；低電壓穿越；Crowbar電路；控制策略；能量平衡

1 引言

近年來隨著風(fēng)能大規(guī)模開發(fā)和快速商業(yè)化發(fā)展的趨勢，風(fēng)電機組的低電壓穿越能力對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起到越來越重要的影響［1-3］。各國相繼對并網(wǎng)的風(fēng)電機組故障穿越能力提出了新的要求，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國最近提出風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定風(fēng)電機組必須具備低電壓穿越能力［4-6］。

目前，已有相關(guān)文獻對直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機組（PMSG）的低電壓穿越控制策略進行了研究。文獻［7-10］提出類似于DFIG，在全功率變流器直流環(huán)節(jié)安裝Crowbar電路、儲能裝置、輔助變流器等硬件設(shè)備消納多余的能量。但是通過增置硬件電路會大大提高變流系統(tǒng)的成本和體積。文獻［11-12］提出通過減小發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，限制發(fā)電機的輸出功率。然而機組容易超速甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)震蕩失穩(wěn)。有文獻［13-14］提出當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時，通過運行風(fēng)力機槳距控制器對捕獲的風(fēng)能加以限制。但變槳控制響應(yīng)時間長，而且變槳過程不利于系統(tǒng)在故障消除后快速恢復(fù)正常工況。

本文在理論推導(dǎo)以及對幾種LVRT方案的仿真進行詳細分析的基礎(chǔ)上，綜合已有的方法提出了一種結(jié)合增大網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功、調(diào)節(jié)機側(cè)變流器電磁轉(zhuǎn)矩和直流環(huán)節(jié)投切Crowbar電路的協(xié)調(diào)控制方案，并研究了新的控制策略投入Crowbar電阻值與機組轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。最后通過Matlab/Simulink仿真驗證了該方案可以在嚴重電網(wǎng)故障時提升PMSG風(fēng)電機組LVRT性能的結(jié)論。

2 PMSG矢量控制的數(shù)學(xué)模型

PMSG全功率變流器傳統(tǒng)策略通過機側(cè)變流器對直驅(qū)永磁同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，網(wǎng)側(cè)變流器用以保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定和輸出有功、無功功率的調(diào)節(jié)，電網(wǎng)電壓跌落瞬間，機組的LRVT控制策略通過投入Crowbar電路消除不平衡功率。圖1為PMSG機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖。

圖1 PMSG機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Fig.1 Control block diagram of generator-side converter and grid-side converter for PMSM

2.1 機側(cè)變流器的運行控制策略

通過Park變換把靜止三相坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為適合矢量控制的PMSG暫態(tài)模型，采用發(fā)電機慣例，d軸定向于轉(zhuǎn)子磁鏈，考慮到Ld≈Lq，若令isd=0。則有電壓方程：

式中：Usd，Usq，isd，isq為d，q軸定子電壓、電流；Ld，Lq為d，q軸定子繞組自感；Rs為定子電阻；ωe為轉(zhuǎn)子電角速度；p為極對數(shù)；Ψf為轉(zhuǎn)子氣隙磁鏈。

忽略摩擦損耗，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩平衡方程：

式中：J為發(fā)電機和風(fēng)力機總轉(zhuǎn)動慣量；Tw為風(fēng)力機輸出機械轉(zhuǎn)矩；ω為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速。

因此通過控制定子d軸電流分量isd，實現(xiàn)對PMSG機組轉(zhuǎn)速和功率控制。

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器的運行控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向，忽略電磁暫態(tài)分量，其與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率方程：

式中：Pg，Qg為網(wǎng)側(cè)有功、無功功率；Ud，Uq，Id，Iq為d，q軸電網(wǎng)電壓、電流。

通過控制網(wǎng)側(cè)d，q軸電流分量，實現(xiàn)對輸入電網(wǎng)的有功、無功進行解耦控制。

3 PMSG低電壓穿越的控制原理

3.1 常見的LVRT控制原理

我國關(guān)于低電壓穿越的國家標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落幅度最大達到80%情況下保持風(fēng)電機組不脫網(wǎng)運行625 ms。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，網(wǎng)側(cè)變流器需要保持直流電壓穩(wěn)定，這會使網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流值相應(yīng)增加。但是為了避免大幅電壓跌落時電流超過變流器限值而燒毀，需對網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流做出以下限制［15］：

式中：Idq-max為網(wǎng)側(cè)變流器安全電流限值。

因此在較大幅度電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器增大輸出到電網(wǎng)有功功率有限，無法保證直流環(huán)節(jié)功率平衡，將導(dǎo)致直流電壓急劇上升而影響機組的穩(wěn)定運行。如果采用更大容量網(wǎng)側(cè)變流器則明顯提高成本，造成冗余浪費。這時PMSG機組一般用Crowbar電路來吸收多余的能量，這部分能量以純熱量的形式消耗，Crowbar電路如圖2所示［16-17］。

圖2 Crowbar電路控制框圖Fig.2 Control block diagram of crowbar circuit

投入Crowbar電路所補償?shù)牟黄胶夤β逝c其電阻值成反比，用公式表示為

式中：Udc為直流電容電壓；R為Crowbar電阻值；d為Crowbar電路功率器件的導(dǎo)通占空比。

對于MW級PMSG機組，若發(fā)生嚴重電網(wǎng)電壓跌落故障，Crowbar電路將承受很大的瞬間沖擊電流，過流在電阻上產(chǎn)生大量的熱，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，能堅持的時間要根據(jù)電壓跌落值來確定。實際上，若能在故障發(fā)生時迅速減小永磁電機轉(zhuǎn)矩電流來限制發(fā)電機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩和功率，把直流環(huán)節(jié)上的不平衡功率轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機機械功率Pw和發(fā)電機輸出電磁功率Ps的差值，使得風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速上升，即把多余的能量以動能的形式存儲于風(fēng)輪之中。

單獨調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩進行低電壓穿越控制，忽略傳動系統(tǒng)的損耗，可以根據(jù)電壓跌落深度限制發(fā)電機輸出電磁功率，即：

式中：K為風(fēng)電機組電磁功率的參數(shù)，K=P/ω31，P為風(fēng)電機組視在功率；a為電壓跌落的深度系數(shù)，0

慣性時間常數(shù)一般由下式計算：

在電壓跌落過程中風(fēng)力機吸收的多余能量將轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子動能并促使轉(zhuǎn)子加速，而轉(zhuǎn)子獲得的動能增量可表示為

聯(lián)立式（7）~式（9），可得故障后機組轉(zhuǎn)速為

式中：t為故障持續(xù)的時間；ω1，ω2為故障前后機組的轉(zhuǎn)速；J為包含風(fēng)力機和發(fā)電機的總轉(zhuǎn)動慣量，其大小由H決定，H為發(fā)電機組的總慣性時間常數(shù)，H=Hw+Hg，Hw為風(fēng)力機慣性時間常數(shù)，典型取值范圍為3.0~6.0 s，Hg為發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)，典型取值范圍為0.4~0.8 s［18］。

代入上式可知，單獨采用調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的方式實現(xiàn)LVRT控制，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速增加可達7%~14%。因此對于長時間嚴重故障，轉(zhuǎn)速急速增加會使傳動系統(tǒng)應(yīng)力超出額定的機械載荷，而且轉(zhuǎn)速波動過大可能會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，需要考慮限制其轉(zhuǎn)速的飛升。

3.2 改進的LVRT控制原理

綜合考慮增大網(wǎng)側(cè)輸出功率、投切Crowbar電路及調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩控制的特點，結(jié)合3種方案可以優(yōu)化LVRT控制過程，其原理推導(dǎo)如下：

式中：k為網(wǎng)側(cè)變流器補償有功功率的系數(shù)；ΔP為總的不平衡功率；ΔPw為風(fēng)輪吸收的不平衡功率。

網(wǎng)側(cè)變流器在嚴重故障時輸出的有功功率一般都會達到其限值，因此k可當(dāng)作常數(shù)?？紤]電壓跌落大于80%情況下，根據(jù)式（13）可以得出以下幾點：

1）當(dāng)電網(wǎng)跌落深度a保持不變時，投入的Crowbar電阻值越小，故障后轉(zhuǎn)速ω2越??；

2）當(dāng)電網(wǎng)跌落深度a保持不變時，投入的Crowbar電阻值越小，轉(zhuǎn)速ω上升速度越慢；

3）當(dāng)Crowbar電路不投入時，即R=∞，電網(wǎng)跌落深度a越大，故障后轉(zhuǎn)速ω2越大。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，不平衡功率主要由機組增加的旋轉(zhuǎn)機械功率、網(wǎng)側(cè)變流器增大的輸出有功功率和投入Crowbar電路的熱功率承擔(dān)。式（13）表示在一定電壓跌落深度和跌落時間下機組轉(zhuǎn)速變化和Crowbar電阻阻值之間的關(guān)系。為使直流側(cè)環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，需要依據(jù)上述原理提出機組新的LVRT協(xié)調(diào)控制策略。

4 PMSG新的LVRT協(xié)調(diào)控制策略

4.1 新的網(wǎng)側(cè)變流器LVRT控制策略

圖3為網(wǎng)側(cè)變流器新的LVRT控制框圖。在電網(wǎng)電壓跌落時，可以采用網(wǎng)側(cè)變流器有功電流給定值跟蹤電網(wǎng)電壓跌落的參數(shù)進行前饋控制的方法。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，為了維持系統(tǒng)的功率平衡，使得：式中：Ps為永磁發(fā)電機輸出有功功率；egd為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓的d軸分量；Usd，Usq，Isd，Isq分別為d，q軸定子電壓、電流分量。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器LVRT控制框圖Fig.3 LVRT Control block diagram of grid-side converter

當(dāng)電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器有功電流給定值根據(jù)電壓跌落的程度迅速增大，同時在控制回路加入限流環(huán)節(jié)以保護網(wǎng)側(cè)變流器。該控制能緩解系統(tǒng)功率不平衡，使得直流電壓趨于穩(wěn)定，有利于故障后機組恢復(fù)正常。

4.2 新的機側(cè)變流器LVRT控制策略

基于機側(cè)變流器調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的控制策略如圖4所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，對于機側(cè)變流器，讓發(fā)電機輸出功率跟蹤網(wǎng)側(cè)變流器輸出電網(wǎng)的有功功率，即把Ps與Pg比較得到的差值ΔP送入PI控制器得到定子d軸電流的給定值，之后定子電流實際值isq跟蹤給定值變化，使得電磁轉(zhuǎn)矩Te減少，風(fēng)力機吸收的風(fēng)能以動能的形式存儲在風(fēng)輪上，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速ω上升。這時不是對轉(zhuǎn)速ω進行控制使之維持最大功率點跟蹤，而是對風(fēng)輪輸出的功率進行限制，同樣也維持了直流電壓的穩(wěn)定。

圖4 機側(cè)變流器LVRT控制框圖Fig.4 LVRT control block diagram of generator-side converter

新控制策略的直流環(huán)節(jié)Crowbar電路控制與3.1節(jié)所述控制策略類似，如圖2所示。

5 仿真分析

5.1 傳統(tǒng)LVRT控制策略性能分析

為了在不同LVRT控制策略下對系統(tǒng)動態(tài)特性進行分析，本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真參數(shù)如下：PMSG額定功率為1.5 MW，定子額定電壓690 V，額定頻率50 Hz，風(fēng)輪葉片半徑42 m，發(fā)電機極對數(shù)32，風(fēng)速恒定為12 m/s，并網(wǎng)點電壓跌落80%，持續(xù)時間300 ms，為了提高仿真效率，機組慣性時間常數(shù)設(shè)置略小。

投入Crowbar電阻和增大網(wǎng)側(cè)變流器有功輸出來補償全部不平衡功率的LVRT仿真如圖5所示。電網(wǎng)電壓在1 s發(fā)生跌落，網(wǎng)側(cè)變流器為了維持輸出功率不變而使輸出電流Ia增大，電流迅速達到限流值，網(wǎng)側(cè)變流器失去了對直流電壓Udc的控制。當(dāng)直流電壓繼續(xù)上升超出允許值時，投入阻值為R0的Crowbar電路，接著直流電壓略有上升之后一直保持穩(wěn)定直至故障結(jié)束。由于發(fā)電機和電網(wǎng)不直接耦合，雖然直流環(huán)節(jié)電壓產(chǎn)生了一定波動后才穩(wěn)定，機側(cè)變流器還是保持可控并以正常方式運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω和電磁轉(zhuǎn)矩Te幾乎不受影響。

圖5 采用Crowbar電路和增大網(wǎng)側(cè)有功輸出的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results in crowbar circuit control and increase grid-side power output strategy

調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和增大網(wǎng)側(cè)變流器有功輸出的LVRT控制仿真如圖6所示，模型的電網(wǎng)電壓在1 s發(fā)生跌落，直流環(huán)節(jié)兩側(cè)因為功率差值導(dǎo)致電壓Udc上升，網(wǎng)側(cè)輸出電流Ig迅速增大達到限制，直流環(huán)節(jié)電壓繼續(xù)上升超出允許值，啟動調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩Te控制。此時電磁轉(zhuǎn)矩瞬間大幅減小，轉(zhuǎn)速則快速上升，直流電壓因兩側(cè)功率再次達到平衡而穩(wěn)定下來?？梢杂^察到在故障過程中，轉(zhuǎn)速ω與電磁轉(zhuǎn)矩波動均較大，其中轉(zhuǎn)速增加到了1.1（標(biāo)幺值）。

圖6 調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和增大網(wǎng)側(cè)有功輸出的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results in electromagnetic torque regulation and increase grid-side power output strategy

5.2 提出的LVRT控制策略性能分析

減小電磁轉(zhuǎn)矩、投入電阻值為2R0的Crowbar電路并增大網(wǎng)側(cè)輸出有功的仿真過程如圖7所示。電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)輸出電流Ig立即進行補償。當(dāng)直流電壓Udc繼續(xù)上升超出允許值時，通過投入Crowbar電路并同時減小電磁轉(zhuǎn)矩Te補償剩下的不平衡功率，這樣直流電壓穩(wěn)定在額定值附近不變。由于電磁轉(zhuǎn)矩減小，機組轉(zhuǎn)速ω增加到1.05（標(biāo)幺值）直至電壓恢復(fù)。雖然投入Crowbar電阻只消耗了部分不平衡功率，但該策略達到了較好的控制效果，而轉(zhuǎn)速變化也限制在理想的范圍內(nèi)。

圖7 新控制策略的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results in new strategy

5.3 新控制策略下投入Crowbar電阻值R和機

組轉(zhuǎn)速ω的關(guān)系

為了進一步驗證在新的策略下投入Crowbar電阻值R大小對機組轉(zhuǎn)速ω的影響。忽略網(wǎng)側(cè)變流器的功率補償，電壓跌落時間625 ms，其他仿真條件與之前相同。

現(xiàn)分別取R1=R0（即Crowbar吸收100%多余能量），R2=10/9R0（Crowbar吸收90%多余能量）R3=2R0（Crowbar吸收50%多余能量），R4=4R0（Crowbar吸收25%多余能量）進行仿真，得到相應(yīng)的發(fā)電轉(zhuǎn)速ω的變化如圖8所示。由圖8可以觀察出：電阻值R越大，電網(wǎng)故障過程中任一時刻對應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω越大；同樣增大R值，轉(zhuǎn)速ω上升的速度也越快；而故障后的轉(zhuǎn)速ω2隨著阻值R的減小，可以得到很好的控制。該仿真結(jié)果與3.2節(jié)分析一致，由此驗證了所推導(dǎo)公式的正確性。同時上述分析可以在應(yīng)對不同程度的電網(wǎng)故障下制定更加細化的LVRT協(xié)調(diào)控制策略提供理論支持。

圖8 LVRT策略下Crowbar電阻對轉(zhuǎn)速的影響Fig.8 Relation between crowbar resistance and turbine speed in the LVRT strategy

6 結(jié)論

本文在Matlab/Simulink中建立了直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組低電壓穿越控制模型，分析了幾種重要的低電壓穿越控制方案，在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上提出了增大網(wǎng)側(cè)輸出有功功率、投切Crowbar電路和調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩相結(jié)合的PMSG風(fēng)電機組LVRT協(xié)調(diào)控制方案，使直流電壓得到了有效的控制，并提高了機組運行的穩(wěn)定性。對本文的研究表明：

1）對于嚴重的電網(wǎng)故障，單獨的應(yīng)用Crowbar電路、增大網(wǎng)側(cè)輸出有功功率或者調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩任一種控制策略都會產(chǎn)生像過流或超速等問題，并對機組的穩(wěn)定運行也有較大的影響；

2）采用Crowbar電路吸收部分不平衡功率，并同時調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和增大網(wǎng)側(cè)輸出有功功率的控制策略，充分利用了PMSG的特性，優(yōu)化控制性能，把不利擾動降至最低。為了合理選擇Crowbar電路電阻值及其投切時間以達到更好LVRT控制效果，需要綜合考慮故障跌落深度、時間及PMSG機組轉(zhuǎn)速等因素。

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修改稿日期：2015-01-18

Low Voltage Ride Through Control Research on Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generator Wind Turbines

XIONG Kui1，GUO Ya-li2，ZHOU Feng1
（1.China Electric Power Research Institute，Wuhan430074，Hubei，China；2.School of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing102206，China）

To improve the stability of power grid with permanent magnet direct-driven wind turbines，three LVRT control techniques of permanent magnet direct-drive wind generation system were investigated，proposed a control strategy which included increasing grid-side power output，using crowbar circuits and regulating electromagnetic torque.The LVRT control strategy of grid-side converter and generator-side converter was designed.According to power flow balance principle，the expression of generator speed when fault is cleared was deduced.The simulation of PMSG was carried out by Matlab/Simulink platform under voltage drop.The simulation results are consistent with theoretical analysis，which demonstrate the strategy can obtain better LVRT performance.

direct-driven permanent magnet synchronous generator（PMSG）wind turbines；low voltage ride through；crowbar circuits；control strategy；power flow balance

TM76

A

熊魁（1988-），男，碩士，助理工程師，Email：8089369@qq.com

2014-10-13