郭 文 勇

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超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)風電場應(yīng)用分析

郭 文 勇

（中國科學(xué)院電工研究所應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室，北京 100190）

風力發(fā)電所面臨的兩大重要問題是低電壓穿越能力弱和功率輸出不穩(wěn)定。為了同時解決這兩個問題，我們提出了超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)，并進行了單機系統(tǒng)的仿真研究，證實了該方案的有效性。然而對于風電場的應(yīng)用，目前尚無研究。本文將超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的應(yīng)用擴展到風電場，分析了其提高低電壓穿越能力和穩(wěn)定有功功率輸出的機理，并進行了仿真研究。從仿真結(jié)果來看，超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)能夠同時提高風電場所有風機的低電壓穿越能力，并能有效地平滑整個風電場的有功輸出功率。考慮不同風機的互補效應(yīng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于風力發(fā)電場與直接應(yīng)用于單臺風機相比，其儲能量和功率輸出的要求可以大大降低，從而可以有效地減少系統(tǒng)總成本，因而具有更好的應(yīng)用前景。

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)；低電壓穿越；超導(dǎo)限流器；風力發(fā)電；雙饋感應(yīng)電機

風力發(fā)電的主流機型包括直驅(qū)型和雙饋型兩大類。其中雙饋型風力發(fā)電機具有體積小、重量輕等優(yōu)點，占據(jù)了大部分的市場份額[1]。然而雙饋型風力發(fā)電機尚有低電壓穿越能力弱和能量輸出不穩(wěn)定兩個主要問題亟待解決。

雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越能力弱的問題主要與其和電網(wǎng)的連接方式有關(guān)。雙饋型風力發(fā)電機的定子與電網(wǎng)直接相連，當電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時，由于定子磁鏈無法突變，定子中將感生出零序磁鏈，在不平衡電壓暫降發(fā)生時還將感生出負序磁鏈。零序和負序磁鏈作用在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，將感生出遠超轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制能力的反向感生電動勢，從而導(dǎo)致過電流和過轉(zhuǎn)矩故障，并有可能損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和變速箱。為了解決其低電壓穿越的問題，目前主要解決方案可以分為硬件方案[2-11]和軟件方案[12-21]兩大類。硬件方案從改變電路結(jié)構(gòu)入手，主要通過外部的輔助電路來解決轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過電流的問題；而軟件方案從轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略入手，通過控制的方式來盡量減少轉(zhuǎn)子過電流，并試圖使變流器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)提供一定的無功支持。

能量輸出不穩(wěn)定的問題與風力發(fā)電受風速變化影響較大的內(nèi)在特性相關(guān)。該問題不僅存在于雙饋型風力發(fā)電機中，而且是所有新能源發(fā)電的共性問題。為了有效地解決該問題，用于風力發(fā)電的儲能系統(tǒng)原理被提出，并已有大量的相關(guān)文獻報道[22-27]。

為了同時解決上述兩大問題，作者提出了超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的原理[6]，并提出了與單臺風機相集成的拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法。該系統(tǒng)通過外加輔助電路，有效地將儲能和限流的功能集于一體，從而僅用一個超導(dǎo)磁體就同時實現(xiàn)了儲能和限流的功能。該系統(tǒng)的原理已進行了仿真驗證，證實了其有效性和可行性。然而，對于一個風電場而言，如果每臺風機都集成一個超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)，考慮每個系統(tǒng)都需要獨立的低溫制冷設(shè)備，其成本將過于昂貴。再者，對于一個風電場而言，由于風機的分布具有一定的地理分散性，風機的功率輸出具有一定的互補性。因此整個風電場輸出功率的波動率要低于單臺風機的波動率。與對風電場的每臺風機都進行獨立的功率補償相比，對整個風電場輸出總功率進行補償，其所需的補償功率和儲能量都將大大降低。因而將超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)整體應(yīng)用于風電場與應(yīng)用于風電場中的每臺風機相比，其成本將大大降低。本文將超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的原理運用于風電場，并進行了系統(tǒng)仿真研究。仿真研究結(jié)果表明，將該系統(tǒng)應(yīng)用于風電場，可以有效地提高風電場中每臺風機的低電壓穿越能力，并能平滑風電場的整體有功輸出功率，具有較高的實用價值。本文共分四個部分：第一部分介紹雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越下的數(shù)學(xué)模型；第二部分結(jié)合雙饋型風力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，分析超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)增強雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越能力和對風電場進行功率補償?shù)臋C理；第三部分介紹該系統(tǒng)應(yīng)用于風電場后的仿真結(jié)果并對仿真結(jié)果進行分析；第四部分對全文進行總結(jié)。

1 雙饋型風力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

雙饋型風力發(fā)電機在靜止坐標下的數(shù)學(xué)模型如式(1)～式(6)所示

由式(2)～式(4)可得轉(zhuǎn)子電為

而定子電壓可表示為式(8)

由于零序電壓并不產(chǎn)生磁鏈[1]，定子磁鏈可表示為式(9)

將式(9)代入旋轉(zhuǎn)坐標系可得式(10)

從式(10)可得轉(zhuǎn)子反向感生電動勢為

2 應(yīng)用于風電場的超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)原理

應(yīng)用于風電場的超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以串并聯(lián)相結(jié)合的方式連接于電網(wǎng)和風電場之間。其并聯(lián)連接的部分由斬波器和逆變器組成的變流器系統(tǒng)構(gòu)成，而其串聯(lián)連接的部分由帶耦合變壓器的橋路型限流器構(gòu)成，耦合變壓器的原邊串聯(lián)在電網(wǎng)和風電場之間。斬波器輸出端、限流器的直流端和超導(dǎo)磁體串聯(lián)形成一個閉合回路。

2.1 正常狀態(tài)下的工作原理

正常狀態(tài)下由變流系統(tǒng)中的逆變器來實現(xiàn)有功平滑的功能。為了實現(xiàn)該功能，采用一個低通濾波器來提取風電場輸出的平均有功功率，將低通濾波器的輸出值與風電場實時輸出有功功率之差作為逆變器輸出有功功率的給定值。當風電場實時有功功率大于平均有功功率時，逆變器從電網(wǎng)中吸收有功功率。若斬波器不加控制，則斬波器與逆變器相連的直流母線電容將由逆變器吸收的有功功率充電，并導(dǎo)致電壓上升。當直流母線電壓上升到逆變器和斬波器所能承受的最大值時，逆變器和斬波器將被過壓擊穿。反之，當風電場實時有功功率小于低通濾波器輸出的平均有功功率時，逆變器將向電網(wǎng)輸出有功功率，若斬波器不加控制，則直流母線電容將會被放電，并導(dǎo)致電壓下降。直流母線電壓的下降將導(dǎo)致逆變器最大輸出電壓幅值的降低。當逆變器能夠輸出的最大電壓幅值降低到小于電網(wǎng)相電壓的峰值時，逆變器將失控，并無法完成給定的功能。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，斬波器被用來控制直流母線電壓，并將其控制到一個適當?shù)慕o定值，以保證逆變器能夠正常工作。當逆變器從電網(wǎng)吸收有功功率時，直流母線電壓趨于上升。斬波器通過調(diào)節(jié)直流母線電壓，將直流母線中吸收的有功功率轉(zhuǎn)移到超導(dǎo)磁體，并給超導(dǎo)磁體充電；而當逆變器向電網(wǎng)釋放有功功率時，直流母線的電壓趨于下降。斬波器通過調(diào)節(jié)直流母線電壓，從超導(dǎo)磁體中釋放能量到直流母線，并支撐直流母線電壓。通過斬波器的控制，實現(xiàn)了超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間的有功功率交換。并通過逆變器的協(xié)同控制，實現(xiàn)了對風電場輸出有功功率平滑的功能。

2.2 故障狀態(tài)下的工作原理

當電網(wǎng)發(fā)生故障時，在故障產(chǎn)生的雙饋型風力發(fā)電機反向感生電動勢的作用下，風電場的輸出電流將急劇上升。當耦合變壓器副邊電流的幅值達到超導(dǎo)磁體電流值時，橋路型限流器相應(yīng)的二極管將反向截止，并將超導(dǎo)磁體串入電網(wǎng)。由于超導(dǎo)磁體的電感遠大于電網(wǎng)阻抗，電網(wǎng)的過電流將得到有效地限制和箝位。由于雙饋型風力發(fā)電機可視為旋轉(zhuǎn)變壓器，通過電磁耦合的作用，當其定子側(cè)的過電流被限制后，其轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流也將得到有效地限制，從而保護了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，防止其過流損壞。

當超導(dǎo)磁體串入電網(wǎng)后，雙饋型風力發(fā)電機所感生的轉(zhuǎn)子反向感生電動勢將變?yōu)?/p>

故障限流的另一個作用是增大雙饋型風力發(fā)電機的動態(tài)電感。當超導(dǎo)磁體串入電網(wǎng)后，漏感系數(shù)變?yōu)?/p>

式(14)中的分母由sr增大到(s+nLsc)r，由于sc>>m，漏感系數(shù)將增大到極限值1，轉(zhuǎn)子的動態(tài)電感σLr將增大到其極限值r，轉(zhuǎn)子的過電流也將能夠得到有效地抑制，從而更加有效地保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，防止其過流損壞。

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗證該系統(tǒng)的可行性，我們進行了仿真研究。風電場為6臺1.5 MW風機組成的小型風電場，該風電場經(jīng)過一臺35 kV/690 V的變壓器并入35 kV電網(wǎng)，35 kV電網(wǎng)經(jīng)過30 km的輸電線后并入330 kV電網(wǎng)，主要仿真參數(shù)見表1~表3。

表1 風電場單臺雙饋型風力發(fā)電機參數(shù)

3.1 正常狀態(tài)下的仿真結(jié)果

圖2是正常狀態(tài)下的仿真結(jié)果。圖2(a)為風電場風速變化的波形，從該波形可以看出，風速在10～13.5 m/s存在較大的波動。

圖2(b)中從上到下三條曲線分別為該輸入風速下風電場輸出的有功功率、經(jīng)過超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)之后注入電網(wǎng)的有功功率和超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)輸出的有功功率。從圖2(b)可以看出，在該風速的作用下，風電場輸出的有功功率存在較大的波動，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量會產(chǎn)生不利的影響。而超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)輸出與風電場有功功率波動分量幅值相同、方向相反的有功功率，消減了風電場注入電網(wǎng)有功功率的波動分量，從而使得注入電網(wǎng)總的有功功率大為平滑，提升了風電場并網(wǎng)的電能質(zhì)量。圖2(c)是超導(dǎo)磁體電流波形。從圖2中可以看出，超導(dǎo)磁體吸收了風電場輸出的波動能量，并導(dǎo)致其電流存在較大的波動，正是通過超導(dǎo)磁體的能量緩存作用，有效地平滑了風電場輸出的有功功率。

3.2 故障狀態(tài)下仿真結(jié)果

為了驗證該系統(tǒng)對于基于雙饋型風力發(fā)電機風電場低電壓穿越能力的提升作用。分別進行了平衡和不平衡電壓暫降下的仿真研究。故障點發(fā)生在35 kV/ 690 V升壓變壓器的高壓側(cè)。平衡電壓暫降由三相接地故障引發(fā)，電網(wǎng)電壓降到接近于0 V，而不平衡電壓暫降由相間短路故障引發(fā)，該故障被認為是最為嚴重的故障[14]。

圖3為平衡暫降下的仿真結(jié)果。圖3(a)、3(c)、3(e)、3(g)分別為未加入超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的仿真波形。從圖中可以看出，系統(tǒng)未加入任何保護時，雙饋型風力發(fā)電機存在明顯的定轉(zhuǎn)子過電流，其轉(zhuǎn)子過電流的最大值接近于額定值的4倍。由于雙饋型風力發(fā)電機中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器最大過流能力一般為額定值的2倍，因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在此故障下將會過流損壞。而從圖中的電磁轉(zhuǎn)矩波形可以看出，其電磁轉(zhuǎn)矩在故障狀態(tài)下的最大過沖量遠超過額定運行范圍，容易造成變速箱的損壞。而從圖中直流母線電壓的波形可以看出，其直流母線電壓超過了1700 V，將造成雙饋型風力發(fā)電機所使用的IGBT過壓擊穿。

圖3 (b)、3(d)、3(f)、3 (h)分別為加入超導(dǎo)限流- 儲能系統(tǒng)之后的仿真波形。從圖3中可以看出，在加入超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)之后，雙饋型風力發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子過電流得到了有效地抑制，其最大值均在2倍額定值之內(nèi)，因此其轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以得到有效地保護。而從圖中電磁轉(zhuǎn)矩的波形可以看出，其過轉(zhuǎn)矩得到了明顯地抑制，有效地保護了變速箱。而從圖中直流母線電壓的波形可以看出，其直流母線電壓在故障過程中幾乎無明顯地波動，保護了雙饋型風力發(fā)電機中網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，防止其在故障狀態(tài)下的過壓擊穿。

圖4為不平衡暫降下的仿真結(jié)果。圖4(a)、4(c)、4(e)、4(g)分別為未加入超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的仿真波形。從圖4(a)、4(c)、4(e)中可以看出，在未加入該系統(tǒng)時，其定轉(zhuǎn)子過電流和過轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象比平衡暫降下還要嚴重，這與文獻[14]中的分析一致。而圖4(g)中直流母線過電壓與圖3(g)中的相比大為 減輕，這是由于在不平衡暫降下，雙饋型風力發(fā)電機的網(wǎng)側(cè)變流器仍然能夠與電網(wǎng)實現(xiàn)部分有功功 率的交換，從而可以在一定程度上穩(wěn)定直流母線 電壓。

圖4(b)、4(d)、4(f)、4(h)分別為加入超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)之后的仿真波形。從圖4(b)、4(d)、4(f)、4(h)中可以看出，在加入超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)之后，雙饋型風力發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子過電流、過轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓過轉(zhuǎn)矩都得到了明顯地抑制。雙饋型風力發(fā)電機得到了有效地保護。其低電壓穿越能力得到了大大地增強。然而其過電流、過轉(zhuǎn)矩和過電壓在故障限流過程中似有擴大趨勢，這與超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的非線性特性以及風電場中的雙饋型風力發(fā)電機未加低電壓穿越控制有關(guān)，其相互影響及解決方案將在后續(xù)工作中進一步被研究。

4 結(jié) 論

本文將超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)應(yīng)用于風力發(fā)電場，用于提高整個風力發(fā)電場功率輸出的穩(wěn)定性和低電壓穿越能力，并進行了仿真研究。仿真研究結(jié)果表明，超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)在應(yīng)用于風電場時，可以有效地平滑整個風電場輸出的有功功率，并能保護風電場中的每一臺風力發(fā)電機，防止其在低電壓穿越下的過電壓、過電流和過轉(zhuǎn)矩，從而大大提高了風力發(fā)電場并網(wǎng)發(fā)電的電能質(zhì)量和可靠性，具有較高的實用價值。同時超導(dǎo)儲能-限流系統(tǒng)的非線性特性導(dǎo)致其在不平衡暫降下低電壓穿越的性能變差，為解決此問題，可以給雙饋型風力發(fā)電機加入低電壓穿越控制或者改進超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，相關(guān)工作將在今后做進一步研究。

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Application analysis of a superconducting fault current limiter-magnetic energy storage system for the wind farm

GUO Wenyong

（Key Laboratory of Applied Superconductivity，Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Two major challenges in wind power generation are weak low voltage ride through (LVRT) capability and unstable power output. A superconducting fault current limiter-magnetic energy storage system (SFCL-MES) has been proposed to address the two challenges. Simulations on the proposed system have been carried out using a single wind power generator, and validated the system performance. This paper extends the concept of SFCL-MES to a wind farms. Simulations are carried out on the extended systems and the effect of the use of the SFCL-MES on the LVRT capability and power output of the wind farms are analyzed. Great enhancement of the LVRT capability of wind power generator is observed. The use of the SFCL-MES has also been shown to smooth the active output power of the wind farm. Considering complementary effect of generators in wind farms, power capacity requirements for the SFCL-MES for a whole wind farm is expected to be considerably lower than the summation of the requirements of individual wind power generator. The total cost is therefore expected to be reduced.

superconducting magnetic energy storage system (SMES)；low voltage ride through(LVRT)；superconducting fault current limiter (SFCL)；wind power generation；doubly fed induction generator (DFIG)

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.02.008

TM 761

A

2095-4239（2015）02-176-07

2014-10-25；修改稿日期：2014-12-28?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金項目（50907070，51361135705），國家“863”計劃項目（2013AA050803）。作者簡介：郭文勇（1979—），博士，副研究員，主要研究方向為故障限流器、電力儲能和風力發(fā)電，E-mail：wyguo@mail.iee.ac.cn。