薛 易, 吳立涵, 李天意, 龍騰飛

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

近些年來,煤炭等資源正在被過度消耗,而煤炭又在傳統(tǒng)的火力發(fā)電中占有重要的作用,因此,國家越來越重視綠色可再生能源的推廣與使用。風(fēng)能作為易獲得的能量,利用其發(fā)電正越來越得到人們的重視。隨著風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)的占比不斷增加,其并網(wǎng)的穩(wěn)定性要求也在不斷提高。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后風(fēng)機(jī)就立刻脫網(wǎng),可能會擴(kuò)大電網(wǎng)的事故,對人們的生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)帶來損失。因此,風(fēng)電機(jī)組有兩個(gè)重要的能力低電壓穿越(LVRT)和高電壓穿越(HVRT)[1]是必須具備的。

鄒欣等[2]提出一種新能源機(jī)組與無功補(bǔ)償裝置的協(xié)同控制策略,解決了深度高電壓故障。薛易等[3]提出直流母線側(cè)并聯(lián)CUK式雙向DC變換器去穩(wěn)定電壓,保證網(wǎng)側(cè)變流器的安全。張公生等[4]提出一種變直流母線電壓參考值的方法去穩(wěn)定母線電壓,但電網(wǎng)電壓深度驟升時(shí)效果不佳。潘莞奴等[5]給出一種直流側(cè)增設(shè)卸荷電路的方法進(jìn)行協(xié)調(diào)電壓幅值,但能量會有一定損失。筆者提出一種變直流母線電壓參考值配合超級電容儲能的控制策略,實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,充分發(fā)揮機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力并保障能量的利用率,通過仿真驗(yàn)證該策略的可行性。

1 風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

我國國家能源局于2017年8月發(fā)布了風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越測試規(guī)程 NB/T 31111—2017,如圖1所示,并于2017年12月1日正式實(shí)施。該圖規(guī)定了紅線下方區(qū)域?yàn)殡娋W(wǎng)電壓發(fā)生不同程度驟升時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)正常保持工作;紅線上方區(qū)域則允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),防止更大面積的事故。

圖1 我國風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig. 1 Chinese wind turbine high voltage ride through standard

2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)風(fēng)機(jī)(PMSG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG)的結(jié)構(gòu)與PMSG不同,其定子的勵(lì)磁電流來源于電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),會對雙饋風(fēng)機(jī)的定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈產(chǎn)生沖擊,分析過程較為復(fù)雜且不易控制。PMSG通過機(jī)側(cè)變流器(RSC)、母線側(cè)電容和網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)與電網(wǎng)相接,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)不會直接對機(jī)側(cè)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生沖擊;同時(shí),PMSG省去了復(fù)雜的齒輪箱結(jié)構(gòu),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片直接和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連,提升PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。

圖2 PMSG帶超級電容下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology of PMSG with supercapacitor

正常情況下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Pm和機(jī)側(cè)變流器輸入功率Pr以及網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率Pg是保持動(dòng)態(tài)平衡的[6],即Pm=Pr=Pg。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生驟升時(shí),會影響網(wǎng)側(cè)變流器功率的正常輸出,甚至可能使電網(wǎng)的潮流方向發(fā)生改變,使電網(wǎng)側(cè)的能量逆方向注入直流母線側(cè),引起直流母線側(cè)電壓的上升。傳統(tǒng)方案下的高電壓穿越,采用Cowbar電路或者Chopper保護(hù)電路,當(dāng)檢測到電壓的大幅驟升時(shí),及時(shí)投入保護(hù)電路的方式去吸收多余能量[7]。該方案雖然能有效做到高電壓穿越,但是也以熱能的形式損失了部分能量。隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展,超導(dǎo)儲能(SMES)和超級電容儲能(SCESS)正在逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)電路。超級電容更是憑借其技術(shù)的不斷成熟、能量利用率高、充放電的速度與次數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)的蓄電池而得到廣泛應(yīng)用[8-10],基于超級電容儲能下的高電壓穿越有深入研究的必要。

2.2 機(jī)側(cè)變流器模型

機(jī)側(cè)變流器對PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,即零d軸電流控制。該控制策略下id=0,電磁轉(zhuǎn)矩的大小由q軸電流進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。正常工作情況下,PMSG的有功出力工作在最大風(fēng)能捕獲處(MPPT),無功功率根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(1)

式中:Usd、Usq——發(fā)電機(jī)定子電壓;

isd、isq——定子電流;

Rs——定子繞組電阻;

ωr——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電角速度;

ψf——轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

顯然,d、q軸的控制通道之間存在交叉耦合項(xiàng),引入PI環(huán)節(jié)進(jìn)行前饋解耦,實(shí)現(xiàn)電流控制的目的。

(2)

PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩為

(3)

2.3 網(wǎng)側(cè)變流器模型

網(wǎng)側(cè)變流器的結(jié)構(gòu),如圖3所示。圖中,Udc為直流側(cè)母線電壓,Rg為濾波電阻,Lg為濾波電感,Ua、Ub、Uc為并網(wǎng)電壓,UGSCA、UGSCB、UGSCC為網(wǎng)側(cè)變流器三相電壓。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 Topological structure of grid side converter

Ugd和Ugq是電網(wǎng)電壓定位在d、q軸的分量。ωe是電網(wǎng)的角速度。對網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行坐標(biāo)變換為

(4)

網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率分別為

(5)

PMSG網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略來維持母線電壓的正常水平和調(diào)節(jié)無功功率大小。d軸定向于電網(wǎng)電壓時(shí),在q軸上投影為0。即Ugd=Utm,Ugq=0。其中,Utm是并網(wǎng)的電壓值。

3 高電壓穿越策略

3.1 網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓因某些擾動(dòng)發(fā)生驟升時(shí),感性無功電流對電壓水平的恢復(fù)起著重要作用。而直流母線電壓的正常工作值有一定范圍,最大可以升至1.1 p.u.并正常工作。補(bǔ)償?shù)臒o功電流有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),按照電網(wǎng)電壓驟升值與額定無功補(bǔ)償電流值2∶1的原則進(jìn)行補(bǔ)償較為合適[4],也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。網(wǎng)側(cè)的控制策略,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)控制策略Fig. 4 HVRT control strategy

(6)

(7)

式中,imax——網(wǎng)側(cè)變流器允許的最大電流值。

3.2 變直流母線電壓參考值的策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生小幅度驟升時(shí),需要對無功電流進(jìn)行補(bǔ)償;如果發(fā)生了過調(diào)制的情況,直流母線側(cè)電壓會上升。為了保護(hù)系統(tǒng)的安全,可以通過提高直流母線電壓參考值的方式使其短時(shí)承受更大的電壓,從而滿足一定的調(diào)制需求。文中將網(wǎng)側(cè)電壓上升范圍限定在1.1 p.u.至1.15 p.u.之間,在允許的范圍內(nèi)通過投入直流母線電壓參考器,系統(tǒng)經(jīng)過短暫的高電壓沖擊后直流母線運(yùn)行正常,同時(shí)直流母線側(cè)電容也可吸收一定的能量去緩解母線側(cè)電壓的泵升。暫態(tài)下的沖擊可能會對并聯(lián)的電容產(chǎn)生影響,為了保護(hù)母線側(cè)的電容,需要給沖擊電壓一個(gè)慣性環(huán)節(jié),使電壓值緩緩上升至系統(tǒng)給定的參考值下,同時(shí)上升時(shí)間不能超過暫態(tài)故障的時(shí)間。

(8)

式中:m——調(diào)制比;

Ug——電網(wǎng)電壓最大值;

Ug——受到直流母線電壓的約束。

三相整流直流電壓的平均值為

(9)

由式(8)和(9)可以計(jì)算出,電網(wǎng)電壓在690和897 V下的母線電壓最低值分別為975 V和1 268 V[10],若網(wǎng)側(cè)電壓驟升幅度大時(shí),直流母線在短時(shí)間內(nèi)可能會承受更大的電壓沖擊,單純依靠提高母線電壓參考值方法去HVRT是無法實(shí)現(xiàn)的,這時(shí)需要引入超級電容儲能去吸收多余能量。

3.3 超級電容儲能

超級電容儲能裝置采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相互配合的控制方式。如果電網(wǎng)電壓深度驟升,需要無功補(bǔ)償也隨之增加,進(jìn)一步提高直流母線側(cè)電壓的參考值是不現(xiàn)實(shí)的,這時(shí)應(yīng)投入超級電容儲能裝置去吸收多余的能量。超級電容的控制,如圖5所示。

圖5 超級電容儲能的控制原理Fig. 5 Control principle of supercapacitor energy storge

Psc=Pr-Pg,

(10)

(11)

超級電容儲能裝置通過對母線電壓的檢測得到電流的參考值再去和超級電容實(shí)際流過的電流值作比較,控制驅(qū)動(dòng)信號使儲能裝置工作在充電狀態(tài);當(dāng)電壓外環(huán)檢測到電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常水平時(shí),通過功率指令釋放超級電容的儲能。

高電壓穿越原理示意,如圖6所示。當(dāng)電壓淺度驟升時(shí),采用無功支撐配合變直流母線電壓參考值的控制策略;當(dāng)深度驟升時(shí),利用超級電容快速吸收多余能量達(dá)到高電壓穿越的目的。

圖6 高電壓穿越Fig. 6 High voltage ride-through

4 仿真與結(jié)果分析

文中搭建2.5 MW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型,網(wǎng)側(cè)額定電壓690 V,直流母線側(cè)額定電壓1 200 V,額定頻率50 Hz,超級電容100 F,設(shè)定電網(wǎng)電壓淺度驟升1.15 p.u.,電網(wǎng)電壓深度驟升1.3 p.u.,同時(shí),與傳統(tǒng)方法下變直流母線電壓參考值進(jìn)行對比,仿真結(jié)果見圖7～10。

圖7 傳統(tǒng)方法下的風(fēng)機(jī)出力Fig. 7 Fan output under traditional method

由圖7可以看出,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生小幅度驟升時(shí),直流母線側(cè)電壓與風(fēng)機(jī)的有功、無功功率能維持在正常范圍內(nèi);隨著電網(wǎng)電壓的深度驟升,僅僅依靠機(jī)組增發(fā)無功不能抑制住直流母線側(cè)電壓的波動(dòng),直流母線側(cè)電壓迅速升高到2 500 V以上,是額定運(yùn)行的兩倍之多。從圖8可以看出風(fēng)機(jī)的有功、無功出力開始波動(dòng),嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。當(dāng)引入了超級電容,由圖10可以看出,電網(wǎng)電壓淺度、深度驟升時(shí),直流母線側(cè)電壓約1 200 V,在額定電壓的范圍附近。從圖9可以看出,該控制策略下不以大量犧牲有功功率為代價(jià)去實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,且該策略下風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功、無功功率較為穩(wěn)定,對當(dāng)前的高電壓穿越方法有一定的借鑒意義。

圖8 傳統(tǒng)高電壓穿越下的電壓及電流Fig. 8 Voltage and current under traditional high voltage ride through

圖9 改進(jìn)控制策略下的風(fēng)機(jī)出力Fig. 9 Fan output under improved control strategy

圖10 改進(jìn)控制策略下的電壓及電流Fig. 10 Voltage and current under improved control strategy

5 結(jié) 論

(1)提出一種直驅(qū)風(fēng)機(jī)高電壓穿越的控制策略,通過仿真驗(yàn)證了其高電壓穿越過程。電網(wǎng)電壓淺度驟升時(shí),為了防止過調(diào)制造成直流母線側(cè)電壓升高,可以適當(dāng)升高直流母線側(cè)電壓參考值去實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。

(2)電網(wǎng)電壓深度驟升時(shí),無功補(bǔ)償水平進(jìn)一步升高,僅提高母線側(cè)電壓參考值無法實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,通過投入超級電容儲能裝置可以吸收多余能量,等電網(wǎng)電壓水平恢復(fù)正常值再釋放儲能,實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。