薛 易，陳 元，張 帥

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院， 哈爾濱150022)

0 引 言

風力新能源發(fā)電系統(tǒng)的應用日益廣泛，并網(wǎng)裝機總容量日益增加，其在電網(wǎng)故障條件下的運行方式與控制策略已直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1]。國家規(guī)定所并入的風電機應有較好的高電壓穿越能力，即在電網(wǎng)電壓過高的一定時間范圍內(nèi)，不僅不允許機組脫網(wǎng)，而且需要向電網(wǎng)提供一定容量的無功支撐以恢復電網(wǎng)電壓[2]。在傳統(tǒng)風電機高電壓穿越方法中，通過增加硬件電路來消耗故障期間的多余能量，不僅會降低發(fā)電機效率，也會增加發(fā)電機發(fā)熱，造成一定的安全隱患。采用外加儲能裝置能夠使發(fā)電機的能量利用效率得到提高[3-4]。

王永強等[5]提出在高電壓穿越期間在直流側并聯(lián)斬波電路，根據(jù)母線電壓驟升程度的不同改變耗能電阻值的大小，控制母線電壓驟升態(tài)勢，抑制直流電壓的劇烈波動，提高了永磁直驅(qū)風電機組的高電壓穿越能力。孫誼媊等[6]給出一種網(wǎng)側變流器優(yōu)化控制策略，使之優(yōu)先輸出感性無功功率對故障電網(wǎng)進行無功支撐。蔣永梅等[7]提出采用外設裝置實現(xiàn)高電壓故障中風電機組波動功率的控制，提升機組高電壓穿越能力，加快系統(tǒng)有功恢復。為提高直驅(qū)永磁風電機的高電壓穿越能力，筆者提出在直流側并聯(lián)CUK式雙向DC變換器吸收直流側多余能量，穩(wěn)定母線電壓，保護網(wǎng)側逆變器的安全，通過搭建模型驗證該方案的可行性。

1 直驅(qū)永磁風電機的拓撲結構

含有CUK式雙向DC變換器控制超級電容組的直驅(qū)永磁風電機電路拓撲結構如圖 1所示。

圖1 直驅(qū)永磁風電機的拓撲結構 Fig. 1 Topology of direct drive parmanent magnet wind motor

由圖1可見，Pm為直驅(qū)永磁風電機輸出的機械功率；Pe為發(fā)電機側流向直流側的有功功率；Pg為電網(wǎng)側轉(zhuǎn)換器輸出的有功功率；Pdc為直流側的有功功率；Png為從電網(wǎng)流向直流側的反向有功功率；Udc為直流側母線電壓；Csc為超級電容組。

在電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，功率平衡關系：

Pe=Pm=Pg。

(1)

電網(wǎng)電壓升高時，直驅(qū)永磁風電機并網(wǎng)側的電壓也會升高，由于電網(wǎng)側逆變器功率容量限制，從電網(wǎng)側轉(zhuǎn)換器輸出的有功電流會減小，而電網(wǎng)本身需要保持功率平衡。由于電網(wǎng)潮流的可逆性，電網(wǎng)的多余能量將逆流至網(wǎng)側逆變器，導致直流側電壓升高。此時，功率關系：

Pe+Png-Pg=Pdc=UdcIdc。

(2)

由式(2)可知，直流側電壓Udc大小與發(fā)電機側的輸出功率Pe，電網(wǎng)側逆變器的輸出功率Pg以及電網(wǎng)逆向功率Png有關。根據(jù)式(2)，高電壓穿越期間，欲降低直流側電壓Udc，可以減小發(fā)電機側的輸出功率Pe，減小網(wǎng)側變流器的輸出功率Pg，或增大電網(wǎng)逆向有功功率Png等來實現(xiàn)。但發(fā)電機側變槳系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速難以瞬間改變，并且按照直驅(qū)永磁風電機的設計理念，必須避免電網(wǎng)故障對電網(wǎng)的機械和電氣設備所產(chǎn)生的瞬時影響[4]。當電網(wǎng)電壓升高時，由于電網(wǎng)的潮流存在可逆性，有部分的Png逆流到直流側，同時也難以實現(xiàn)Pg的增加，因此，解決高電壓穿越引起的Udc驟升問題，很難通過直驅(qū)永磁風電機系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，但，可以采用超級電容組吸收直流側多余能量來穩(wěn)定直流側的母線電壓Udc。

2 雙向DC控制器和直驅(qū)永磁風電機模型

2.1 CUK式雙向DC變換器

CUK式雙向DC變換器的拓撲結構如圖 2所示。充電時的工作過程如圖 3所示。

圖2 含有超級電容組的CUK式雙向DC-DC變換器Fig. 2 A CUK bidirectional DC-DC converter with a super capacitor bank

S2導通時，直流側電容Cdc向電感L2充電，電容C經(jīng)過超級電容Csc和電感L1放電。VD2導通時，直流側電容Cdc和電感L2向電容C充電，電感L1向超級電容Csc充電。

圖3 雙向DC變換器充電過程Fig. 3 Charging process of bidirectional DC converter

放電時的工作過程如圖 4所示。S1導通時，超級電容Csc通過電感L1放電，電容C通過直流側電容Cdc和電感L2放電。VD1導通時，超級電容Csc和電感L1通過電容C放電，電感L2通過直流側電容Cdc放電。

圖4 雙向DC變換器放電過程Fig. 4 Discharge process of bidirectional DC converter

2.2 風力機模型

由風能捕獲原理得，風力機所捕獲的功率：

(3)

風力機的機械輸出轉(zhuǎn)矩:

(4)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速:

(5)

風能利用系數(shù):

(6)

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

R——風力機轉(zhuǎn)子半徑，m；

γ——葉尖速比；

θ——槳距角，(°)；

vw——風速，m/s。

2.3 網(wǎng)側數(shù)學模型

網(wǎng)側變流器的拓撲結構如圖 5所示。

圖5 網(wǎng)側變流器的拓撲結構Fig. 5 Topological structure of grid side converter

Lg、Rg為網(wǎng)側變流器線路的電感和電阻，Cdc為直流側電容，Udc為母線電壓。在a、b、c三相的坐標系下，電網(wǎng)一側逆變器的參考量都是時變的交流量，不利于網(wǎng)側逆變器的控制器設計。因此，采用park變換的方式，將三相坐標系中的交流時變量，轉(zhuǎn)換為兩相坐標系下的直流量，這樣既有利于控制器的設計，也有利于后續(xù)的計算。因此，在兩相的dq坐標軸下，對網(wǎng)側變流器進行坐標變換得到其數(shù)學模型[6]為：

(7)

式中：ud、uq——網(wǎng)側電壓dq軸分量；

ugd、ugq——電網(wǎng)電壓dq軸分量；

igd、igq——電網(wǎng)電流dq軸分量；

ωe——電網(wǎng)角頻率。

若忽略直流側和網(wǎng)側的功率損耗，則電網(wǎng)側逆變器流向電網(wǎng)的有功功率Pg和無功功率Qg[6]為：

(8)

3 雙向DC變換器和直驅(qū)永磁風電機控制器

3.1 CUK式雙向DC變換器控制器

變換器的控制器設計采用電壓電流雙環(huán)控制?？刂瞥夒娙莸某浞烹妬砦针娋W(wǎng)逆流到直流側的多余能量，穩(wěn)定直流側的母線電壓，保證并網(wǎng)逆變器和直流側電容安全[8-10]。雙向DC變換器的控制框圖如圖 6所示。

電壓外環(huán)控制是通過直流側電壓參考值Ubr與直流側電壓實際值Ub比較得偏差值，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后輸出電流內(nèi)環(huán)參考值Isr，電流內(nèi)環(huán)參考值Isr與CUK電路中實際電流值Isc比較得偏差值，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后的電流輸出信號經(jīng)PWM信號發(fā)生器生成控制S1、S2導通關斷的信號，從而控制超級電容組的充放電功能。

圖6 雙向DC變換器的控制原理Fig. 6 Control principle of bidirectional DC converter

3.2 網(wǎng)側變流器控制器

網(wǎng)側變流器的控制器采用電壓電流的雙環(huán)控制。通過控制電流有功分量提高直流側電壓穩(wěn)定性。實現(xiàn)對有功和無功功率的解耦控制，使分布式電源輸出的有功功率傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，并在需要時為電網(wǎng)提供無功支持。網(wǎng)側變流器的控制分為穩(wěn)態(tài)運行和高電壓穿越期間運行兩部分。網(wǎng)側變流器的控制流程如圖 7所示。

圖7 網(wǎng)側變流器的控制結構Fig. 7 Control structure of grid side converter

網(wǎng)側變流器的無功電流受電網(wǎng)電壓升高程度的影響，為避免過補償，電網(wǎng)電壓驟升值和額定無功電流補償值計算公式[11]：

(9)

為保護變流器以免發(fā)生過電流，要求有功電流igd幅值應滿足[12]：

(10)

Uref——實測電網(wǎng)電壓有效值；

iN——機組額定電流；

imax——網(wǎng)側變流器最大允許電流值。

3.3 高電壓穿越控制策略

高電壓穿越控制流程如圖 8所示。

圖8 高電壓穿越控制流程Fig. 8 Tontrol of high voltage ride process thraogh

4 仿真驗證分析

采用Matlab建立含有雙向CUK式DC變換器的直驅(qū)永磁風電機和控制器模型。無儲能裝置的情況下，電網(wǎng)電壓升高到1.2(標幺值)時，分析結果如圖9所示。加入CUK式雙向DC變換器后的模擬分析結果，如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)控制下電網(wǎng)電壓驟升的仿真結果Fig. 9 Simulation results of power network voltage surge under traditional control

設置電網(wǎng)電壓升高至1.2(標幺值)時，故障時間0.2 s。直驅(qū)永磁風電機額定功率2 MW，極對數(shù)52，網(wǎng)側額定輸出電壓690 V，額定頻率50 Hz，直流側額定電壓1 200 V，額定風速12 m/s，超級電容容量20 F。

研究了高電壓穿越期間，傳統(tǒng)情況(無儲能裝置)下的直驅(qū)永磁風電機仿真特性和含有雙向DC變換器的直驅(qū)永磁風電機的仿真特性。在0.8 s時，如圖9a所示，電網(wǎng)電壓升高至1.2(標幺值)時的圖形；如圖9b所示，網(wǎng)側輸出電流降低且在1 s時產(chǎn)生畸變幅度較大的波形。

圖10 含超級電容組的電網(wǎng)電壓驟升的仿真結果Fig. 10 Simulation results of power grid voltage surge with supercapacitor bank

由此可以得出，在傳統(tǒng)控制下，電網(wǎng)電壓驟升將會引起整個風電機組脫網(wǎng)的危險。從圖9c可以看出，直流側電壓已升高至2 400 V左右，是電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時的兩倍。從圖10可以看出，逆變器向電網(wǎng)注入感性無功功率對電網(wǎng)進行無功補償。網(wǎng)側的無功輸出由0升高至0.7 MVar，由于在高電壓穿越期間對無功進行優(yōu)先輸出，有功的輸出受到限制，有功輸出相比電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時降低0.3 MW。

從圖10a可以看出，網(wǎng)側輸出電流波形在故障結束時，波形幅度相比傳統(tǒng)控制時變小許多。同時，由于超級電容組吸收了直流側多余的能量，從圖10b可以看出，母線電壓在電網(wǎng)電壓驟升期間基本保持穩(wěn)定，實現(xiàn)了直驅(qū)永磁風電機不脫網(wǎng)運行。

在高電壓穿越期間，根據(jù)3.1節(jié)分析CUK變換器的工作過程如圖 11所示。

圖11 超級電容組的運行結果Fig. 11 Operation results of supercapacitor bank

由圖11可見，當電流反向的時候，變換器工作在充電狀態(tài)，即吸收直流側多余能量。超級電容端電壓以及荷電量均增加。

5 結 論

提出一種含超級電容儲能的直驅(qū)永磁風電機高電壓穿越控制策略，以提高直驅(qū)永磁風電機的高壓穿越能力。

(1)建立了使用CUK雙向DC轉(zhuǎn)換器控制超級電容器的充電和放電的直驅(qū)永磁風電機模型。當電網(wǎng)電壓升至1.2(標幺值)時，未加外設儲能裝置的直驅(qū)永磁風電機會因直流側電壓過高而有脫網(wǎng)的危險。

(2)提出CUK式雙向DC變換器去控制超級電容吸收直流側多余能量這一方案，高電壓穿越期間直流母線電壓驟升幅度降低了4.6%，并在高電壓穿越期間為電網(wǎng)提供了感性無功補償，提高了直驅(qū)永磁風電機的高電壓穿越能力。