朱少斌 李少綱

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

基于超級電容的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制研究

朱少斌 李少綱

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

通過分析傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力的原理與存在問題，其中選用超級電容儲能系統(tǒng)與合適的控制策略，采用綜合的網(wǎng)側(cè)變流器控制方法，從而建立了相應(yīng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，采用超級電容儲能系統(tǒng)與合適的控制策略，可以改善永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

永磁同步發(fā)電機(jī)；超級電容；低電壓穿越；變流器控制

隨著能源需求的不斷增大，不可再生能源的不斷減少，對可再生能源的開發(fā)已經(jīng)成為各國可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。風(fēng)電技術(shù)成熟，近年來得到廣泛應(yīng)用。其中永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有機(jī)械損耗小、發(fā)電效率高、低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)組領(lǐng)域的發(fā)展前景很好。機(jī)組經(jīng)背靠背變流器并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)解耦，機(jī)組的運(yùn)行特性不會受到影響，所以具有較好的低電壓穿越（low voltage ride through,LVRT）能力[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量不斷增大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)間的相互影響變大，風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則要求并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組必須具備一定的 LVRT能力。

文獻(xiàn)[2]通過在直流母線上加裝卸荷支路提高系統(tǒng)的LVRT能力，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，卸荷電阻支路導(dǎo)通，將直流側(cè)上的不平衡功率通過熱能的形式平抑掉，從而維持直流母線電壓穩(wěn)定。該方法增加了系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，直流母線上的不平衡功率被浪費(fèi)。文獻(xiàn)[3]采用蓄電池儲能系統(tǒng)連接在直流母線上，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，通過控制儲能系統(tǒng)將直流母線上的不平衡功率儲存起來，維持母線電壓穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的LVRT能力。但所提的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，未考慮并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償，以支撐電網(wǎng)電壓，且蓄電池的充放電次數(shù)有限，存在使用周期短和維護(hù)成本高等問題。文獻(xiàn)[4]采用在電網(wǎng)故障時(shí)改變網(wǎng)側(cè)的控制方法，在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度不高的情況下，可以幫助系統(tǒng)“穿越”低壓區(qū)域，但當(dāng)電壓跌落程度較大時(shí)，該方法的控制效果并不理想。文獻(xiàn)[5]將超導(dǎo)儲能系統(tǒng)連接到直流側(cè)上，通過控制超導(dǎo)儲能系統(tǒng)來平抑直流側(cè)上的功率波動，以穩(wěn)定母線電壓。但是目前超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的投資運(yùn)營成本太高且在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需加裝冷卻系統(tǒng)，增加了設(shè)計(jì)難度。

針對上述方法存在的不足，本文充分發(fā)揮超級電容所具有的響應(yīng)速度快、可循環(huán)使用次數(shù)多和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在直流母線側(cè)并接超級電容儲能系統(tǒng)，提出合適的儲能系統(tǒng)的控制策略，與綜合的網(wǎng)側(cè)變換器控制方法相配合，以提高風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力。

1 基于超級電容的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的風(fēng)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)力機(jī)經(jīng)傳動軸帶動永磁同步發(fā)電機(jī)，再通過背靠背變流器連接到電網(wǎng)上，將超級電容儲能系統(tǒng)經(jīng)雙向DC/DC變流器并聯(lián)到直流側(cè)上。

圖1 含超級電容的永磁風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)圖形

圖1中，將不同的控制方法運(yùn)用到儲能系統(tǒng)上，可以使不同的控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。例如通過控制超級電容儲能系統(tǒng)平滑并網(wǎng)功率，提高風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量[6-7]；或者在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落情況下，將直流側(cè)上堆積的功率存儲到超級電容中，穩(wěn)定母線電壓[8-9]。電網(wǎng)故障主要有單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地和三相短路，而發(fā)生三相短路對電網(wǎng)危害最大。本文主要研究永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生三相短路狀態(tài)下的低電壓穿越，通過控制儲能系統(tǒng)與改進(jìn)的網(wǎng)側(cè)控制策略協(xié)調(diào)配合，以有效的改善永磁風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力。

1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

此模型忽略磁飽和、磁滯損耗等影響。在電路定律基礎(chǔ)上，通過坐標(biāo)變換，推出 d-q坐標(biāo)系下直驅(qū)式永磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，usd、usq為定子電壓d-q軸分量；ωs為電角速度；Rs為定子電阻；isd、isq為定子電流d-q軸分量；ψf為轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈；Ld、Lq為定子d-q軸同步電感。

1.3 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

選取dq坐標(biāo)系中d軸作為電網(wǎng)側(cè)電壓空間矢量方向，q軸超前d軸90°，則網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型為[10]

式中，ugd、ugq為電網(wǎng)三相電壓d-q軸分量；ud、uq為網(wǎng)側(cè)輸出三相電壓d-q軸分量；id、iq為電網(wǎng)三相電流d-q軸分量；L、R分別為并網(wǎng)濾波電感和電阻；ωg為電網(wǎng)電壓角頻率。

2 基于超級電容的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的控制方法

2.1 電機(jī)側(cè)控制策略

本文采用的機(jī)側(cè)變流器運(yùn)行控制方式如圖2所示[11]?？紤]到永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)無需供給勵磁電流，因此可以把q軸作為定子電流的合成矢量方向，其中定子電流都被用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，可以對定子電流q軸分量大小的控制，達(dá)到對永磁機(jī)有功功率輸出的控制目的。分析永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的工作原理可知，針對特定的風(fēng)速，發(fā)電機(jī)要運(yùn)行在對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下才能捕獲最大風(fēng)能，所以可以由MPPT得到控制方法中的轉(zhuǎn)速外環(huán)參考值。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制方式

根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差的大小，在通過PI調(diào)節(jié)后能求出q軸電流分量的參考值：

通常情況下，永磁機(jī)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，對d軸電流分量大小的控制可以實(shí)現(xiàn)永磁機(jī)輸出無功功率的控制，所以把d軸電流參考值設(shè)定成零。電流偏差大小經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，再加上前饋補(bǔ)償就能求出調(diào)制電壓d-q參考值，即

得到調(diào)制電壓 d-q軸參考值后，再使用坐標(biāo)變換采用空間矢量調(diào)制（space vector pluse width modulation,SVPWM）產(chǎn)生對應(yīng)的觸發(fā)脈沖，就能達(dá)到控制變流器開關(guān)管的目的。

2.2 綜合的電網(wǎng)側(cè)控制策略

我國最新的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定，在電網(wǎng)故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)該向電網(wǎng)提供無功功率，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定，幫助風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。本文采用的綜合的網(wǎng)側(cè)變流器控制方式如圖3所示，即電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，控制目的是為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行在單位功率因數(shù)和穩(wěn)定直流母線電壓。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的 20%～90%范圍內(nèi)，風(fēng)電系統(tǒng)需要向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償來幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，輸入電網(wǎng)的無功電流大小為

式中，igqref2為電網(wǎng)故障時(shí)輸入電網(wǎng)無功電流參考值；ugpu為電網(wǎng)故障時(shí)電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電機(jī)組額定電流。

當(dāng)檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)變?yōu)橐罁?jù)電網(wǎng)電壓跌落的程度，輸出無功電流支撐電網(wǎng)電壓，以改善機(jī)組的LVRT能力。

此時(shí)，有功電流的輸出受逆變器的容量限制，其限定值為

式中，igmax為網(wǎng)側(cè)逆變器允許輸出的最大電流。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制方式

直流電壓與給定值比較后輸入PI調(diào)節(jié)器，輸出值為原有功電流的參考值igdref1，取igdref1和igdref2兩者中較小值作為網(wǎng)側(cè)變流器有功電流輸出的參考值。當(dāng)igdref1＜igdref2時(shí)，說明電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)還能將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)，維持其穩(wěn)定。當(dāng)igdref1＞igdref2時(shí)，說明只靠電壓外環(huán)控制已無法使直流側(cè)電壓報(bào)保持在限定區(qū)域內(nèi)。此時(shí)就必須把直流側(cè)儲能保護(hù)電路切入到運(yùn)行狀態(tài)，將直流母線上堆積的功率存儲起來，使直流側(cè)電壓恢復(fù)到允許范圍之內(nèi)。

2.3 超級電容儲能系統(tǒng)控制策略

當(dāng)檢測到風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，儲能系統(tǒng)投入工作，其控制策略如圖4所示，采用電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)控制。電壓外環(huán)是為了實(shí)現(xiàn)維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)加快了電流指令的跟蹤，提高了儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖4 儲能系統(tǒng)的控制方式

故障結(jié)束后，檢測超級電容的荷電狀態(tài)，將超級電容吸收（釋放）的能量釋放（吸收），恢復(fù)到初始狀態(tài)，為下次故障做準(zhǔn)備。

3 仿真分析

根據(jù)上述模型與控制策略，在Matlab/Simulink中，搭建圖1所示帶超級電容儲能系統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。主要仿真參?shù)如下：風(fēng)機(jī)葉輪半徑為 34m，額定風(fēng)速為 13m/s，額定功率為2MW，永磁同步電機(jī)極對數(shù)為30，發(fā)電機(jī)定子電阻為 0.0062Ω；直流母線額定電壓為 1500V，母線電容為0.06F；電網(wǎng)額定電壓為690V，額定頻率50Hz；濾波電感為2mH；超級電容容量為3F。

圖5所示為系統(tǒng)不含儲能的仿真波形。0.5s時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，電網(wǎng)電壓跌落至額定電壓的20%，持續(xù)時(shí)間為625ms。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，為了將機(jī)側(cè)輸入的功率輸出，網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流勢必增大，而變流器的熱容量有限，所以必須限制并網(wǎng)電流的大小在最大值以內(nèi)，本文設(shè)置的并網(wǎng)電流最大值為額定電流的 1.2倍。如圖 5所示，電壓降至 0.2p.u.，并網(wǎng)電流逐漸增大到最大值，由于電壓跌落較大，所以網(wǎng)側(cè)的輸出功率大大減少，這將導(dǎo)致多余的功率在直流母線上累積，使得母線電壓持續(xù)升高。故障切除后網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)正常，而直流側(cè)堆積的多余功率需要釋放，使得并網(wǎng)電流并沒有恢復(fù)正常，輸出功率也出現(xiàn)超調(diào)，且直流母線電壓和并網(wǎng)電流的恢復(fù)速度較慢，說明該系統(tǒng)需要改善其低電壓穿越能力。

圖6所示為系統(tǒng)帶超級電容儲能系統(tǒng)的仿真波形，由圖6可知，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，儲能系統(tǒng)迅速動作，將直流側(cè)上多余的能量儲存起來，使直流側(cè)電壓波動很快穩(wěn)定下來。網(wǎng)側(cè)變流器的控制由單位功率因數(shù)輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先輸出無功功率，向電網(wǎng)注入無功電流，加快電網(wǎng)電壓的恢復(fù)速度，且在故障切除后，后網(wǎng)側(cè)變流器又恢復(fù)到單位功率因數(shù)輸出的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 不含儲能的LVRT波形

圖6 含超級電容的LVRT波形

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，在分析其模型的基礎(chǔ)上，將超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用到直流側(cè)。通過控制儲能系統(tǒng)快速平抑直流母線上的功率不平衡，與綜合的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略相配合，可以明顯改善永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT能力。

[1]任永峰,胡宏彬,薛宇,等.基于卸荷電路和無功優(yōu)先控制的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越研究[J].高電壓技術(shù),2016(1):11-18.

[2]胡書舉,李建林,許洪華.永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行特性的分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(17):73-77.

[3]王文亮,葛寶明,畢大強(qiáng).儲能型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(14):43-48,78.

[4]Mullane A,Lightbody G,Yacamini R.Wind turbine fault ride-through enhancement[J].IEEE Trans on Power Systems,2005,20(4):1929-1937.

[5]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)用研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013(16):48-53.

[6]李霄,胡長生,劉昌金.基于超級電容儲能的風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(9):86-90.

[7]Abbey C,Joos G.Supercapacitor energy storage for wind energy applications[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(3):769-776.

[8]杜雄,彭國秀,戴朋岑,等.基于超級電容的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)不對稱故障穿越方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2014(1):46-53.

[9]侯世英,房勇,曾建興,等.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(bào),2010,14(5):26-31.

[10]孫延昭.永磁直驅(qū)風(fēng)電變流系統(tǒng)控制策略研究[D].長沙:湖南大學(xué),2009.

[11]Kimh W,Kim S S,Ko H S.Modeling and controlof PMSG-basedvariable-speedwindTurbine[J].Electric Power Systems Research,2010,80(1):46-52.

Study on LVRT Control Strategy of Permanent Magnet Directly-driven Wind Turbine based on Super Capacitor

Zhu Shaobin Li Shaogang
(College of Electrical Engineering and Automation,FuzhouUniversity,Fuzhou 350108)

This paper analyzes the theory ofthe low-voltage ride throughcapability in the classical permanent magnet directly-driven wind power system and discusses the inherent problem.With super capacitor energy storage system and adaptive control strategy,acomprehensivecontrol method of line-side converter is proposed.Matlab simulation of permanent magnet directly-driven wind power systemis carried out.The results confirm thatsuper capacitor energy storage system and appropriate control strategy can improve the low-voltage ride through capability of permanent magnet directly-driven wind turbine.

permanent magnet synchronous generator;super capacitor;low voltage ride through;converter control

朱少斌（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磻?yīng)用與節(jié)能技術(shù)。