刁瑞軒

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)穿透率的不斷增加，風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)的影響已不容忽視。近期由于并網(wǎng)風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力而引發(fā)的多次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，己影響到電網(wǎng)的正常運行。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)風(fēng)電機組;低/高電壓穿越

采用機側(cè)變流器控制直流電壓，并根據(jù)故障期間直流電壓的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁功率，消除直流系統(tǒng)兩端有功的不平衡，穩(wěn)定直流電壓，但未考慮電磁功率減小造成發(fā)電機轉(zhuǎn)速提升的速度限制問題，且控制過程較為復(fù)雜。

1 概述

目前，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低/高電壓穿越研究大多針對雙饋型風(fēng)電機組，需采用主動式或被動式來避免風(fēng)機變流器的過電壓和過電流，雖然可以滿足并網(wǎng)準則對低高電壓穿越的要求，但存在以下固有問題：1）雙饋電機變?yōu)椴皇芸氐漠惒桨l(fā)電機運行后，穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)速范圍受最大轉(zhuǎn)差率所限而變小，若變槳系統(tǒng)未能快速限制捕獲的機械轉(zhuǎn)矩，仍很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升。2）由于發(fā)電機的勵磁分別由變流器和電網(wǎng)提供，兩種狀態(tài)的切換會在低電壓穿越過程中對電網(wǎng)造成無功沖擊。3）即使在低電壓穿越過程中，網(wǎng)側(cè)變流器保持聯(lián)網(wǎng)，受其容量限制，提供的無功功率主要供給異步發(fā)電機建立磁場，而對系統(tǒng)的無功支持很弱。通過全功率變流器并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機組，如永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組PMSG，已被證實在穿越特性方面更具優(yōu)勢。其實現(xiàn)風(fēng)電機組的低電壓穿越的關(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。而通過穩(wěn)定直流電壓實現(xiàn)PMSG風(fēng)電機組低電壓穿越的研究方案主要有：通過在直流側(cè)安裝卸荷電路消納多余的能量：在直流側(cè)安裝儲能裝置，如超級電容等，快速吞吐有功功率;并聯(lián)輔助變流器增加直流側(cè)功率的輸出通道。上述方法均需增加外部硬件電路，增加了變流器的體積及成本;并且在電網(wǎng)電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器處于限流狀態(tài)，無法對電網(wǎng)提供動態(tài)的無功支持;在低電壓穿越前后，網(wǎng)側(cè)變流器在直流電壓控制和限流控制之間的切換會造成直流電壓的波動。PMSG風(fēng)電機組機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的傳統(tǒng)控制策略，采用機側(cè)變流器控制直流側(cè)電壓，而有功和無功的協(xié)調(diào)控制由網(wǎng)側(cè)變流器完成;并從理論上分析所提出控制方法對風(fēng)力機轉(zhuǎn)速變化的影響。

2 永磁直驅(qū)風(fēng)電機組低/高電壓穿越策略

1）在額定風(fēng)速以上，為避免風(fēng)力機超速，通常采用變槳調(diào)節(jié)限制風(fēng)機輸入的氣動功率，此時按發(fā)電機的額定功率控制其輸出的有功功率可實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的恒功率輸出。因此，電網(wǎng)電壓正常時PMSG控制系統(tǒng)外環(huán)可采用有功功率的閉環(huán)控制，其調(diào)節(jié)輸出量作為發(fā)電機定子電流軸分量給定;控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)則分別實現(xiàn)定子軸電流的閉環(huán)控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障使電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓跌落時，電網(wǎng)側(cè)變換器將無法完全輸出發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率，多余的能量將流人直流側(cè)電容進行充電，若不采取合適的措施，直流側(cè)電容將充電至很高電壓，這將直接危及并網(wǎng)變流器的安全運行。因此，為避免直流鏈過電壓和電網(wǎng)側(cè)變換器過電流，應(yīng)限制由電機側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率?？紤]到槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間通常在幾百毫秒乃至秒級，因此對于2個～10個周期左右的電網(wǎng)短路故障而言，采用變槳調(diào)節(jié)就很難有效限制發(fā)電機輸出的有功功率。由于發(fā)電機控制系統(tǒng)電流環(huán)的動態(tài)調(diào)節(jié)時間可控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，因此在故障過程中可采用限制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩電流的方式來限制發(fā)電機的電磁功率，從而達到限制發(fā)電機輸出有功功率的目的。實現(xiàn)故障清除后發(fā)電機的正常運行控制。控制系統(tǒng)中采用功率限幅處理環(huán)節(jié)來實現(xiàn)高于額定風(fēng)速時發(fā)電機輸出功率的限制。

2）由于永磁直驅(qū)用雙PWM變換。器的運行容量要達到PMSG的額定容量，因此即使電網(wǎng)電壓正常時也應(yīng)考慮穩(wěn)定控制雙PWM變換器直流鏈電壓的方法。對于電網(wǎng)故障，當(dāng)故障切除、電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓恢復(fù)時，應(yīng)采取適當(dāng)措施使電網(wǎng)側(cè)變換器和電機側(cè)變換器的功率傳遞達到平衡，以減小電壓恢復(fù)過程中直流鏈電壓的波動。在本文的控制方案中，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常以及電網(wǎng)故障切除、電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓恢復(fù)時，對于電網(wǎng)側(cè)變換器將采用協(xié)調(diào)控制方案，即利用電機側(cè)變換器的功率信息協(xié)調(diào)控制電網(wǎng)側(cè)變換器。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，控制開關(guān)連接端口這時將作為一個前饋補償量，與電網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出一起作為網(wǎng)側(cè)變換器電流內(nèi)環(huán)的軸電流給定值，則當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后網(wǎng)側(cè)變換器軸電流的給定值將會及時改變，網(wǎng)側(cè)變換器電流內(nèi)環(huán)可以控制軸電流快速跟蹤指令電流，從而實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變換器的輸出功率與電機側(cè)變換器的輸入功率保持平衡，這十分有利于電壓恢復(fù)時直流鏈電壓迅速趨于穩(wěn)定，降低直流鏈電壓變化率，為電壓恢復(fù)后發(fā)電系統(tǒng)重新恢復(fù)正?？刂频於ɑA(chǔ)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，由于電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓減小以及網(wǎng)側(cè)變換器最大工作電流的限制將減小電網(wǎng)側(cè)變換器輸出的瞬時功率，這將造成電機側(cè)變換器有功功率。與電網(wǎng)側(cè)變換器輸出功率之間的功率偏差增大，這將極大地限制電網(wǎng)側(cè)變換器對直流鏈電壓的控制作用。針對電網(wǎng)故障過程中交流勵磁風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)變換器的控制思想，對于永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的網(wǎng)側(cè)變換器，也可采用電壓跌落時網(wǎng)側(cè)變換器按電流內(nèi)環(huán)控制的方法，即故障過程中電流給定分量設(shè)定為反映發(fā)電機輸出有功功率的前饋量，該前饋量反映了雙PWM變換器與PMSG的功率交換情況，在電壓跌落時根據(jù)發(fā)電機定子功率的變化及時調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)變換器的電流，可最大限度地減小直流鏈電壓的波動，有效控制直流鏈電壓在電壓跌落過程中的變化趨勢，故障過程中控制開關(guān)切換為連接端口電流給定分量設(shè)定為發(fā)電機輸出有功功率的前饋量。這樣可將直流鏈電壓的波動限制在一定范圍內(nèi)，為故障過程中電機側(cè)變換器的控制提供較為穩(wěn)定的直流鏈電壓支持。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，控制開關(guān)又重新切換到端口，實現(xiàn)故障清除后網(wǎng)側(cè)變換器的正常運行控制，為故障后向電網(wǎng)提供功率支持奠定基礎(chǔ)。綜上所述，完整的適用于永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的低電壓穿越運行控制方案電機側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器均采用常規(guī)矢量控制方案進行控制。

3）建議。當(dāng)電網(wǎng)三相對稱故障發(fā)生后，電機側(cè)變換器采用電流內(nèi)環(huán)控制方式輸出足夠的定子控制電壓，且其峰值在電機耐壓限幅范圍之內(nèi)，其動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩以及輸出有功功率均迅速減小，經(jīng)電機側(cè)變換器饋入直流側(cè)電容和電網(wǎng)側(cè)變換器的功率減小，這就非常有利于直流側(cè)電容及網(wǎng)側(cè)變換器實現(xiàn)低電壓穿越。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，電機側(cè)變換器重新采用功率、電流雙閉環(huán)的跟蹤控制模式，使發(fā)電機輸出額定有功功率，為故障后電網(wǎng)恢復(fù)提供支持，將直流鏈電壓的最大上升變化值限制在額定電壓的10%左右，保證其在安全運行范圍之內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，電網(wǎng)側(cè)變換器重新采用帶前饋的電壓、電流雙閉環(huán)控制模式穩(wěn)定直流鏈電壓，使發(fā)電系統(tǒng)輸出額定有功功率，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運行。

在電網(wǎng)故障時采用考慮發(fā)電機功率信息的網(wǎng)側(cè)變換器電流閉環(huán)控制來實現(xiàn)直流鏈電壓穩(wěn)定控制，從而有效實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越運行。本文提出的控制方案也避免了增加多余硬件保護裝置，為各類電網(wǎng)故障下永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的低電壓穿越運行提供了一種可選的解決思路。

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