蔣永梅，張 謙，金武杰，金晨星，徐 寧，葉自強

（國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

風力發(fā)電規(guī)模逐年擴大，風電機組安全穩(wěn)定運行已經受到廣泛關注[1-2]。并網準則要求并網型風電機組具有低電壓穿越能力，但近些年發(fā)生的大規(guī)模事故多數還伴有HVRT（高電壓穿越）的情況。

目前針對機組HVRT的研究已經得到國內外學者的廣泛關注。文獻[3-4]分析了雙饋風電機組的HVRT過程，采用Crowbar+DC Chopper組件可以有效地實現HVRT；文獻[5]采用Crowbar電路實現直驅風電機組的HVRT。這兩種方法不僅需要加裝硬件，而且主要是把故障期間的有功功率消耗掉，降低了發(fā)電效率。文獻[6]運用PSCAD軟件平臺仿真分析直驅風電機組在電網跌落和驟升下的暫態(tài)特性，但是并未給出詳細的控制策略。SCES（超級電容儲能系統）具備快速充放電、不易受到環(huán)境影響、能量密度大等優(yōu)點[7-10]，已經廣泛應用于分布式發(fā)電、能量回收等系統。文獻[11]采用SCES與蓄電池儲能系統相配合，可以實現永磁同步發(fā)電機的低電壓穿越，具有良好的控制性能。文獻[12]針對鼠籠型全功率風電變流器機組，提出一種利用超級電容器儲能裝置實現低電壓穿越的方案。文獻[13]提出一種基于化學電池和超級電容器組成的混合儲能方案，實現永磁風電機組的低電壓穿越，并分析其控制策略。文獻[14]提出將SCES應用于永磁同步發(fā)電機，同時給出了全功率型變流器機組在低電壓穿越過程中的控制算法。

綜上所述，在傳統風電機組HVRT方法中，均通過增加硬件電路來消耗故障穿越期間多余能量，這不僅會降低發(fā)電機效率，也將大大增加發(fā)電機發(fā)熱，造成一定的安全隱患。采用儲能系統例如SCES，能夠大大提高發(fā)電機的能量利用效率。

1 基于SCES的直驅風電機組變流器拓撲結構

基于SCES的直驅風電機組變流器拓撲結構如圖1所示。

圖1 基于SCES的直驅風電機組變流器拓撲結構

該結構包括機側變流器、網側變流器以及SCES。其中，SCES由超級電容器組和雙向Buck/Boost變換器組成。為論述方便，采用超級電容與等效串聯電阻的串聯模型來模擬超級電容器組[15]。

當發(fā)生HVRT時，網側變流器須盡快向電網提供無功功率以幫助盡快恢復并網點電壓。同時，由于網側變流器最大允許工作電流的限制，使得有功功率大幅度降低。如果不立即采取措施消耗多余有功，將導致直流母線電壓驟升，甚至影響到風電機組正常運行。在母線上增加超級電容后，利用其消耗掉HVRT故障期間多余的有功功率，保障了直流母線電壓的穩(wěn)定[16-17]。

2 含SCES的風力發(fā)電系統控制策略

2.1 網側變流器控制策略

風電機組正常工作時，網側變流器采用雙閉環(huán)控制，可實現發(fā)電機單位功率因數運行以及直流母線電壓穩(wěn)定。電壓外環(huán)跟蹤負載功率變化，也間接決定了直流母線電壓穩(wěn)定。因此，利用電流內環(huán)對交流側無功功率的調節(jié)功能，能夠實現網側逆變器按照單位功率因數工作的目標。變流器矢量等效電路如圖2所示。

圖2 變流器矢量等效電路

為便于分析，將全功率變流器在同步旋轉坐標系dq軸進行等效分析。根據圖2可得出全功率變流器的電壓、功率方程為：

式中：Ug為網側電壓；Rg為網側濾波電抗器的等效電阻；Qg為網側無功功率；t為時間；Uc為超級電容器端電壓。

忽略Rc及Lc，利用電網電壓定向矢量的控制策略，由式（1）可得：

式中：Ig_d，Ig_q分別為Ig的dq軸分量。

由式（2）可知，對網側電流d軸的分量Ig_d和q軸分量的Ig_q分別進行控制,可實現直驅風電機組網側變流器功率解耦控制。

網側變流器控制策略如圖3所示，實現了直流母線電壓控制和功率因數控制。

圖3 網側變流器控制策略

2.2 SCES控制策略

在風電機組HVRT過程中，網側變流器工作在逆變器模式，按照要求向電網注入一定量的無功功率，并且盡可能多地向電網發(fā)出有功功率。能夠輸出有功功率的大小會受到變流器最大允許電流Imax的制約。

SCES控制策略如圖4所示，當檢測到電網發(fā)生高電壓故障時，SCES投入工作，采用帶功率前饋的雙閉環(huán)控制器：電壓外環(huán)控制直流母線電壓使其穩(wěn)定在額定值，電流內環(huán)使得能夠對電流指令進行快速跟蹤，這樣利用機側變流器和網側變流器的功率差值進行功率前饋控制，能夠大大提高系統的響應速度。

圖4 SCES控制策略

SCES吸收的功率

前饋電流指令

在HVRT過程中SCES控制策略不變，當超級電容器檢測到電壓不滿足要求時，SCES退出運行。

3 仿真驗證

基于MATLAB/Simulink搭建了直驅式永磁同步風力發(fā)電系統的仿真模型，直驅風電機組額定功率1.5 MW，并網電壓690 V，經過升壓變壓器與35 kV電網相連。風電機組和電網參數如表1所示。

表1 風電機組仿真參數

現假定電網電壓在1 s時升高到1.3UN（UN為額定電壓），1 s后電網電壓恢復到額定電壓，所得結果如圖5—8所示。

圖5為HVRT過程中網側變流器給定的d軸電流和q軸電流。在HVRT開始階段有功電流大約為500 A。無功電流共分3個階段：第一階段從t=1.0 s至t=1.1 s，無功電流從3 000 A逐漸升高達到4 000 A，這是無功增加的過程；第二階段從t=1.1 s至t=2.0 s，無功電流保持在4 000 A；第三階段從t=2.0 s至t=3.0 s，無功功率減少至3 000 A。此后，SCES切除工作，有功、無功功率恢復正常。

圖5 網側變流器給定電流

圖6為HVRT過程中并網點電壓。從圖6可以看出，在t=1.0 s時，三相電壓驟升至1.3UN，說明此時風電機組發(fā)生了高電壓故障。并網點的電壓經過1.0 s均恢復至額定值。t=2.0 s以后，直驅風電機組正常運行。

圖6 并網點電壓

圖7為直流母線電壓，額定直流母線電壓Udc，N為1 100 V。在t=1.0 s高電壓故障時，直流母線電壓驟升至1.05Udc，N，約為 1 155 V，隨后逐漸減小，經過1.0 s后逐步恢復至Udc,N。相比于傳統方式在直流母線增加卸荷裝置，采用超級電容器卸荷具有更快的響應性，直流母線電壓波動性更小。

圖7 直流母線電壓

圖8為HVRT過程中網側變流器輸出的有功功率和無功功率，t=1.0 s前系統工作在正常狀態(tài)，功率因數為1。高電壓故障后，系統輸出有功功率約為0.9 MW，網側變流器快速響應電壓驟升情況，向系統輸送一定的感性無功，降低并網點電壓使其恢復至額定狀態(tài)，至t=2.0 s高電壓故障結束，風電機組重新回到正常運行狀態(tài)。

4 結論

針對直驅風電機組，采用SCES實現了風電系統的HVRT功能，得出結論如下：

（1）利用SCES消耗風力發(fā)電機和電網間的功率差，可實現直驅風電機組HVRT運行。

圖8 電網側有功功率與無功功率

（2）分析風電機組高電壓故障過程中變流器的輸出能力，提出了風電機組網側變流器及SCES協調運行的控制方法，可幫助電網電壓快速恢復，通過仿真驗證了所提方法的準確性。

（3）該方法為解決風電機組HVRT問題提供了新的思路，相比于傳統方法，SCES可在復雜環(huán)境下工作，同時可快速恢復有功，應用前景廣闊。

（4）當電網電壓驟升時，雙饋風電機組可能會出現轉子側過電流和直流母線側過電壓，SCES只能降低直流側過電壓，不能有效地限制轉子側過電流，因此文中提出的解決方案不適用于雙饋風電機組。