王林川,付 強,楊己正

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)大慶供電公司,黑龍江 大慶 163000)

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直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略

王林川1,付 強1,楊己正2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)大慶供電公司,黑龍江 大慶 163000)

分析了基于全功率變換器的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越機理,提出了新型控制策略,即用發(fā)電機側(cè)變流器控制定子電壓和直流母線電壓,電網(wǎng)側(cè)變流器跟蹤最大風(fēng)功率,實現(xiàn)輸出有功功率與無功功率的協(xié)調(diào)控制,進而在全風(fēng)速范圍內(nèi)實現(xiàn)風(fēng)電機組的低電壓穿越。通過建立仿真模型及其試驗,驗證了該控制策略的正確性和有效性。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組;低電壓穿越;變流器控制;槳距角控制

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)所占比例的不斷增大,全功率變流器并網(wǎng)的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組憑借其優(yōu)秀、有效的可控性逐步受到了市場的青睞[1-2]。新公布的風(fēng)電接入電網(wǎng)規(guī)定要求風(fēng)電機組除了擁有低電壓穿越能力之外,還要求擁有對電網(wǎng)故障恢復(fù)期間提供必要的無功支持的能力。當(dāng)前,已有很多文獻對直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越控制策略進行了研究。文獻[3]中指出直驅(qū)永磁風(fēng)電機組實現(xiàn)低電壓穿越的關(guān)鍵問題在于維持變流器直流環(huán)節(jié)電容電壓的穩(wěn)定。文獻[4-5]指出在現(xiàn)有的控制策略中,選用發(fā)電機側(cè)變流器跟蹤最大風(fēng)功率,電網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線電壓。而且,當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時,將會造成發(fā)電機側(cè)變流器輸出功率與電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的不平衡,引起直流母線處產(chǎn)生過電壓、過電流,損壞變流器和直流母線電容。

為了進一步提升直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力和對電網(wǎng)電壓的動態(tài)無功支持能力,本文從能量的角度深入地研究了直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組低電壓穿越問題并提出了解決方法,即用發(fā)電機側(cè)變流器控制直流母線電壓和發(fā)電機定子電壓,電網(wǎng)側(cè)變流器跟蹤最大風(fēng)功率,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落程度大時直接進行變槳距調(diào)節(jié),從源頭上消除電網(wǎng)電壓跌落時產(chǎn)生的不平衡能量。

1 低電壓特性分析

本文采用的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)背靠背雙PWM變流器接入電網(wǎng)。

在圖1中，風(fēng)力發(fā)電機組捕獲的機械功率為Pm,發(fā)電機輸出的電磁功率為Ps,電網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率為Pg。在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)且損耗可忽

略的情況下,有Pm=Ps=Pg,發(fā)電機轉(zhuǎn)速和直流母線電壓均可保持穩(wěn)定。

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)框圖

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,由于系統(tǒng)的功率振蕩和變流器的限流控制,風(fēng)力發(fā)電機組電網(wǎng)側(cè)輸出功率Pg將不再穩(wěn)定。加之全功率變流器的隔離作用,發(fā)電機側(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Pg的變化而變化,最終導(dǎo)致直流側(cè)功率不平衡,同時直流母線電壓升高和劇烈振動將會影響風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[6-7]。因此,為了抑制直流母線電壓的振動,提高直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組的低電壓穿越能力,需要在直流側(cè)安裝輔助設(shè)備,以幫助消耗或者存儲不平衡能量,實現(xiàn)風(fēng)電機組的低電壓穿越。

2 新型控制策略

本文采用的控制策略如圖2所示。

圖2 新型控制策略框圖

新型控制策略與傳統(tǒng)控制策略不同的是直流母線電壓和發(fā)電機定子電壓受控于發(fā)電機側(cè)變流器而非電網(wǎng)側(cè)變流器,這種變換十分有利于提高電網(wǎng)電壓故障條件下永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組的低電壓穿越能力。同時,由于全功率變流器的隔離作用,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,發(fā)電機側(cè)變流器不會受到電網(wǎng)側(cè)的影響。所以,與已有的控制策略相比,采用發(fā)電機側(cè)變流器控制直流母線電壓,可以有效降低直流母線電壓在電網(wǎng)電壓跌落期間的升高與波動,從而有利于風(fēng)電機組實現(xiàn)低電壓穿越。該控制策略利用風(fēng)電機組慣性存儲來自電網(wǎng)電壓跌落引起的不平衡能量,減少了卸荷電阻作用的時間。以前的控制方法都是當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時才進行變槳距調(diào)節(jié),因槳距角調(diào)節(jié)速度慢,對于短時的電壓跌落起不到實質(zhì)性的作用,所以本文采用當(dāng)電網(wǎng)電壓小于0.7 p.u.時直接進行變槳距調(diào)節(jié)。此外,在新型控制策略中,電網(wǎng)側(cè)變流器還具備輸出有功功率和無功功率的協(xié)調(diào)控制的能力,可以在電網(wǎng)電壓跌落期間向電網(wǎng)提供必要的無功功率支持。

2.1 發(fā)電機側(cè)變流器控制

發(fā)電機側(cè)變流器控制策略如圖3、圖4所示。

圖3 發(fā)電機側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制框圖

Fig.3 Generator-side converter inner control block

圖4 發(fā)電機側(cè)變流器外環(huán)控制框圖

Fig.4 Generator-side converter outer control block

2.2 電網(wǎng)側(cè)變流器控制

電網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)控制框圖

Fig.5 Grid-side converter outer control block

電網(wǎng)側(cè)變流器控制方法與以往的控制方法不同主要體現(xiàn)在外環(huán)控制上。電網(wǎng)側(cè)逆變器通過判斷電網(wǎng)電壓來實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸出有功功率與無功功率的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時,為有功功率優(yōu)先的最大風(fēng)功率跟蹤控制;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,為無功功率優(yōu)先控制。同時為避免有功電流突變所引發(fā)的直流側(cè)電容充放電電流的突變,在電網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的有功電流控制環(huán)節(jié)增加限流控制,從而有效抑制因電網(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。所以，國家電網(wǎng)公司的并網(wǎng)技術(shù)規(guī)則要求總裝機容量為百萬千瓦級規(guī)模及以上的風(fēng)電場群,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時,每個風(fēng)電場在低電壓穿越過程中向電力系統(tǒng)注入的動態(tài)無功電流為:

Iq≥1.5×(0.9-Ug)IN, 0.2≤Ug≤0.9

式中,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。

無功功率優(yōu)先控制時的無功電流可由該式計算得到。

2.3 槳距角控制

槳距角控制策略如圖6所示。

圖6 槳距角控制框圖

當(dāng)風(fēng)速為額定風(fēng)速及以上時,采用傳統(tǒng)的控制方法使發(fā)電機不超速運行，同時限制風(fēng)力機的出力。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速且電網(wǎng)電壓跌落程度大時,傳統(tǒng)的控制方法都是當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時才進行變槳距動作,考慮到變槳距動作速度較慢,起不到實質(zhì)性的作用,故直接進行變槳距動作,從源頭上減小轉(zhuǎn)子所需承受的不平衡能量,而當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落程度小時,可以先用轉(zhuǎn)子承擔(dān)此不平衡能量,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過安全轉(zhuǎn)速時,投入卸荷電阻,無需進行變槳距操作。

2.4 卸荷電阻控制

卸荷電阻的控制框圖如圖7所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過安全轉(zhuǎn)速時,投入卸荷電阻進一步消耗不平衡能量。為了防止通過轉(zhuǎn)速判斷不夠迅速,控制器增加了以直流側(cè)電容電壓Udc作為輔助的判斷條件,以防止直流側(cè)電壓升高過快,當(dāng)Udc大于其動作閾值Udcmax,卸荷電阻投入,當(dāng)Udc小于某一值后,卸荷電阻退出。通過判斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電容電壓Udc來投入和切除卸荷電阻時,需設(shè)置一個滯環(huán)比較環(huán)節(jié),以防止卸荷電阻頻繁的投切損壞設(shè)備。為了防止兩組判斷之間的交錯影響,在通過某一判斷條件投入卸荷電阻時,還要通過相同的判斷條件切除卸荷電阻。

圖7 卸荷電阻的控制框圖

3 仿真分析

搭建風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型,其主要參數(shù)為:發(fā)電機額定功率1.5 MW,額定電壓690 V,極對數(shù)為36,慣性時間常數(shù)2 s;風(fēng)力機葉片長度36 m,額定風(fēng)速12 m/s,額定轉(zhuǎn)速17.3 r/min;變流器直流電容容量200 000 μF,直流母線電壓1200 V,變流器開關(guān)頻率2 kHz;電網(wǎng)額定電壓690 V,額定頻率50 Hz。

3.1 風(fēng)速為額定風(fēng)速時的仿真

風(fēng)速為10 m/s,電壓在4 s時跌落為0.6 p.u.,持續(xù)625 ms時的仿真結(jié)果,如圖8所示。

圖8 額定風(fēng)速時仿真圖

由圖8可見,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,發(fā)電機輸出有功功率減少,直流母線處的不平衡能量由轉(zhuǎn)子承擔(dān),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過安全轉(zhuǎn)速時,卸荷電阻投入。同時,電網(wǎng)側(cè)輸出無功功率增加對電網(wǎng)電壓恢復(fù)有一定的支撐作用。直流側(cè)電容電壓波動較小,可實現(xiàn)低電壓穿越。

3.2 風(fēng)速小于額定風(fēng)速時的仿真

風(fēng)速為10 m/s,電壓跌落為0.8 p.u.時的仿真,如圖9所示;相同風(fēng)速下,電壓跌落為0.5 p.u.時的仿真,如圖10所示,電壓跌落持續(xù)的時間均為625 ms。

由圖9、圖10可知,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落程度低時,不平衡能量可全部由轉(zhuǎn)子承擔(dān)而無需啟動卸荷電阻;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落程度較大時,槳距角變大,從源頭上減小了不平衡能量,由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未超過安全轉(zhuǎn)速,故卸荷電阻沒有投入。兩種情況下直流母線電容電壓波動均較小,可實現(xiàn)低電壓穿越。

圖9 輕度跌落時仿真圖

圖10 深度跌落時仿真圖

4 結(jié) 語

本文對直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組的低電壓穿越控制進行了深入研究,提出了一種新型控制策略,即用發(fā)電機側(cè)變流器控制直流母線電壓和定子電壓,電網(wǎng)側(cè)變流器跟蹤最大風(fēng)功率并當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落程度大時直接進行變槳距調(diào)節(jié)。另輔以卸荷

電阻控制,減少了卸荷電阻的投入時間。將電網(wǎng)電壓跌落時產(chǎn)生的不平衡能量由發(fā)電機轉(zhuǎn)子承擔(dān),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過安全轉(zhuǎn)速時投入卸荷電阻。仿真表明,在電網(wǎng)電壓跌落期間,直流側(cè)電容電壓波動小,可實現(xiàn)低電壓穿越,驗證了本文提出控制策略的正確性和有效性。

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(責(zé)任編輯 郭金光,王瑩瑩)

LVRT control strategy for D-PMSG wind system

WANG Linchuan1, FU Qiang1, YANG Jizheng2

(1.College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. State Grid Daqing Power Supply Company, Daqing 163000, China)

According to the analysis of the mechanism of low voltage ride through of direct drive permanent magnet synchronous generator based on full power converter, a new control method was proposed. It is a method which used generator-side converter to keep stator voltage and dc bus voltage stable, and grid-side converter to achieve maximum power tracking and coordination control of active and reactive power, so as to realize low-voltage ride through within all velocity range. Finally, through the simulation model and its test, it is verified that the method is correct and effective.

D-PMSG; LVRT; converter control; pitch angle control

2014-09-08。

王林川(1955—),男,教授,研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

付 強(1990—),男,碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電。

TM762

A

2095-6843(2016)01-0001-05