SMES用于雙饋發電機故障穿越的研究

劉金虹　張　輝　李　潔　楊秉翰　閔　陽

SMES用于雙饋發電機故障穿越的研究

劉金虹1，2張輝1，2李潔1楊秉翰1閔陽1

（1. 西安理工大學自動化與信息工程學院 西安 710048 2. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

近年來隨著風電并網容量的迅速增加，風電場脫網對電力系統的影響日益嚴重。本文首先介紹了風電場故障穿越的技術要求，將雙饋感應發電機（DFIG）控制系統分為風機控制分系統、轉子側和定子側變頻器控制分系統，然后建立超導磁儲能（SMES）3階相量模型，并采用SMES提高DFIG故障穿越能力和動態響應速度，最后在Matlab/Simulink中搭建SMES+DFIG仿真模型，并采用中國的低電壓穿越（LVRT）標準和美國的高電壓穿越（HVRT）標準驗證SMES輔助風電機組實現故障穿越的能力。

超導磁儲能 故障穿越 雙饋風力發電 相量模型

0　引言

隨著風電裝機容量的迅速增大和風電并網要求的不斷提高，故障穿越成為風電場并網的必備能力，否則因電壓跌落或浪涌導致的風電機組解列將嚴重影響電力系統穩定，甚至造成全面癱瘓。

目前大部分風電場故障穿越研究集中在低電壓穿越（Low Voltage Ride Through， LVRT）與零電壓穿越（Zero Voltage Ride Through， ZVRT），高電壓穿越（High Voltage Ride Through， HVRT）研究較 少。而實際風電場中，當電網電壓跌落發生時，由于投切電容器等無功補償裝置，可能造成無功過剩，在電網電壓恢復時引起電網電壓驟升，對風電機組造成二次危害，故需要綜合考慮各種情況下的故障穿越。

目前解決故障穿越的方法主要有軟件法和硬件法，其中硬件法有2種［1］：加儲能裝置或者轉子側并聯撬棒（Crowbar）電路，軟件法有3種［2］：基于定子電壓動態補償的控制策略、改進矢量控制策略、和基于H∞和μ 分析的新型魯棒控制器方法。

設風電場公共耦合點（Point of Common Coupling， PCC）額定電壓為Un，則當PCC點電壓跌落至0甚至0.15Un以下時，采用軟件法很難實現，故采用硬件法輔助風電機組穿越故障電壓已成為 必然。

目前這兩種硬件法均能較好地改善風電機組的LVRT功能，但加裝撬棒電路會增加額外的功率損耗，故增加儲能裝置具有更好的效果。本文擬采用超導磁儲能（Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES）輔助風電機組穿越故障電壓。

1　故障穿越技術要求

對于風電裝機容量占其他電源總容量比例大于5%的?。▍^域）級電網，該電網區域內運行的風電場應具有低電壓穿越能力［3］。

《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T 19963—2011）表明，PCC電壓為0.9Un～1.1Un時，風電機組應能正常運行。

圖1　中國LVRT和ZVRT標準Fig.1　Grid codes of LVRT and ZVRT in China

LVRT（或ZVRT）要求：當電網故障或擾動引起PCC電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行。

（1）風電場內的風電機組具有在PCC電壓跌至0.2Un（或0）時，能夠保證不脫網連續運行0.625s（或0.2s）的能力。

（2）風電場PCC電壓在發生跌落后2s（或5s）內能夠恢復到0.9Un，期間風電機組能夠保證不脫網連續運行，如圖1所示。

對于HVRT，目前國家電網公司沒有明確的技術標準，在此參照美國HVRT技術標準如圖2所示。

（1）當PCC電壓上升到1.2Un時，能夠保證不脫網連續運行1s；

（2）PCC電壓每秒下降3.3%，4s內恢復到正常電壓范圍內，期間風電機組能夠保證不脫網連續運行。

圖2　美國HVRT和LVRT標準Fig.2 Grid codes of HVRT& LVRT in USA

2　SMES 3階相量模型及其控制

目前用于SMES的控制方法主要有直接功率控制［4］、功率解耦控制［5］、載波輪換均流控制［6］、反饋線性化控制［7］、模糊邏輯控制［8］、自適應神經元控制［9］和非線性PID控制［10］等。

其中非線性PID控制具有魯棒性強、不依賴于被控對象模型等優點，相量模型就屬于非線性PID控制的一種。

SMES在電磁暫態分析中，一般都采用等效的2階相量模型［11］，但該模型忽略了SMES能量及電流對其輸出功率的影響，未考慮有功和無功功率的相互影響，且沒有考慮變流器輸出電流大小的限制，故在此采用3階相量模型。

2.1SMES功率關系

若不計變流器損耗，考慮交/直流側功率平衡，可得電壓電流之間的關系為［12］

式中，Ud為直流側電壓；Id為超導線圈直流電流；Us和Is分別為交流側相電壓和相電流有效值；φ是Us和Is的相位差。PWM控制下SMES向系統輸出的有功/無功功率可以表示為

式中，Usm和Ism分別表示變流器交流側相電壓和相電流幅值；M為變流器的調制比。將式（2）中兩式平方后相加可得

調制比M的取值范圍為［0，1］，故由式（3）知

SMES功率調節范圍在PQ坐標系內為一個圓心在 原點，半徑為的圓內，如圖3所示。

圖3　有功無功功率關系Fig.3　Relationship of active and reactive power

2.2 SMES 3階相量模型

超導線圈上的儲能scE可以表示為

則

由式（2）可知通過調制比M和相位角φ實現SMES的有功/無功解耦控制，若給定的功率參考信號為Pref、Qref，則

考慮SMES變流器的動態響應延遲，其動態過程可由式（7）的兩個一階慣性環節來描述。

式中，時間常數Tc的物理含義是變流器以及其內部的延遲時間。

SMES模型框圖如圖4所示：虛線框內為式（7）反映的SMES變流器動態過程，虛線框上部是式（5）所示的超導線圈電流動態模型。此外SMES外環控制器中，有功功率控制用于抑制功率振蕩；無功功率控制用于維持PCC電壓穩定。

圖4　SMES 3階相量模型Fig.4　Third-order phasor model of SMES

3　風力發電機組模型及控制

風電機組空氣動力學模型為［13］

式中，PM為風電機組從風中捕捉的能量轉化成的風電機組機械功率；ρair為空氣密度；Cp為葉片的風能轉換效率系數；R為風輪機葉輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角；νω為風速。

在dq兩相同步旋轉坐標系下可得DFIG數學模型可用以下幾個方程描述。

定子電壓方程為

轉子電壓方程為

定子磁鏈方程為

轉子磁鏈方程

電磁轉矩方程為

運動方程為

式中，mecT、emT分別為風力發電機機械轉矩和電磁轉矩。

將同步旋轉參考坐標系d軸與定子電壓矢量方向重合，有usd=Us，usq=0，因此DFIG定子有功/無功功率表示為

式中，ird、irq分別為轉子電流在以定子電壓定向的同步旋轉坐標系d、q軸上的有功/無功分量，ird可控制定子繞組有功功率Ps，irq可控制定子繞組無功功率Qs，它們之間不存在耦合關系，從而實現定子繞組有功/無功功率解耦控制。

DFIG綜合控制結構如圖5所示，包含了兩個部分：風輪機控制與DFIG控制［14］。風輪機控制中，β 為槳距角分別為風輪機轉速參考值和測量值；為PCC參考額定功率。

圖5　基于DFIG的風電機組綜合控制Fig.5　Integrated control of wind turbine based on DFIG

DFIG控制用于獨立控制發電機發出的有功/無功功率，包含兩個部分：一個用于機側變流器控制；一個用于網側變流器控制。風輪機的控制由轉速控制器與槳距角控制器組成。轉速控制器提供用于控 制PCC功率的變流器有功功率參考值給DFIG 機側變流器的功率控制器；當風速超過額定風速、風電機組有功功率超過其額定功率時，槳距角控制器增大槳距角以限制風電機組有功功率。對于變流 器的無功功率控制，機側變流器的根據穩態運 行時系統對PCC無功功率的需求設定為一個不變 值；網側變流器的設定為0，保持正常工作時 轉子與電網之間不交換無功。

4　仿真及結果分析

4.1仿真模型的構建

帶SMES的風電并網結構如圖6所示，其中6個1.5MW DFIG通過Yd變壓器聯結交流電網。電網電壓由恒定頻率的理想三相電壓源代替，通過30km的傳輸線連接到風機。根據風速-功率曲線特性［15］，假設平均風速為15m/s時，風機輸出功率為1（pu），發電機轉速度為1（pu），SMES通過變壓器連接到PCC，其額定儲能量為1MJ。

圖6　帶SMES的DFIG并網結構示意圖Fig.6　DFIG grid-connected system with SMES

圖7　SMES相量模型Fig.7　Phasor model of SMES

SMES相量模型采用三相對稱可控電流源來模擬SMES的動態響應特性，且只模擬SMES的有功/無功功率響應特性。圖7是SMES相量模型，其輸入為有功/無功功率指令值，輸出為三相交流功率，輸出測量端m為SMES交流側相電壓、相電流、dq軸電壓/電流分量、有功/無功功率、直流側電壓等。

SMES相量模型主要由等效電流源、控制輸出和信號采集三部分構成?？刂戚敵瞿K用以將外部輸入的指令值轉換為相應的電流值，信號采集模塊用于檢測內部電壓、電流等信號并將其輸出。對于并聯直流母線的SMES，還需加上斬波器和相應的控制裝置，控制信號取母線電壓與參考值的偏差量。

Matlab/Simulink中DFIG仿真模型輸入由風速和無功功率給定，輸出通過變壓器及輸電線路與電網相連。監測量包括直流母線電壓、有功功率、無功功率、轉子電壓/電流和轉速等。由于只是仿真故障期間DFIG的響應特性，故DFIG的風速輸入設定為恒定值，故障前DFIG以額定功率運行于穩定狀態，圖8是其模型圖及子模型。

圖8　DFIG模型外觀圖及內部詳細模型Fig.8　DFIG model and sub model

4.2仿真參數

DFIG參數、傳輸線路參數及SMES參數列于表1～表3。

4.3仿真結果及分析

1）t=2s時，給定網側電壓浪涌1.4（pu），仿真結果如圖9所示。

無SMES時，PCC電壓上升到1.35（pu），根據美國風電HVRT并網標準，風機將脫網。

表1　DFIG參數Tab.1 Parameters of DFIG

表2　傳輸線路參數Tab.2　Parameters of Transmission line

表3　SMES參數Tab.3 Parameters of SMES

圖9　PCC電壓響應Fig.9　Voltage response of PCC

有SMES時，PCC電壓下降到1.18（pu），在美國HVRT技術標準范圍內，避免了風機脫網。

2）t=2.13s時，故障消除。

無SMES時，電壓下降到0.82（pu），有SMES時，電壓下降到0.9（pu）。

直流母線電壓是體現風電機組故障穿越的重要指標，圖10顯示了電壓浪涌時的直流側電壓波形。有SMES時，振蕩和超調大大減小，直流側電壓在峰值下降約50V。

圖10 VSC電容端電壓Fig.10　Capacitor voltage of VSC

圖11顯示了電壓浪涌時風機的特性。當PCC產生浪涌電壓且無SMES時，有功功率上升到1.38（pu），有SMES時，有功功率下降到1.28（pu），SMES在一定程度上抑制了浪涌功率上升。t=2.13s故障消除時，有功功率下降，這和電壓變化情況類似。

圖11　DFIG輸出有功/無功功率波形Fig.11　Active/reactive power output of DFIG

同樣，當PCC發生電壓跌落且無SMES時，無功功率下降到-0.8（pu）；而有SMES時，無功功率下降到-0.38（pu），SMES可有效地防止PCC功率深度跌落，輔助風機成功穿越故障。

SMES線圈儲能和電流特性分別如圖12和圖13所示。發生電壓浪涌時，SMES瞬間給電網放電，恢復時間為幾毫秒，滿足電網故障時快速響應的特性。

圖12　SMES線圈的儲能特性Fig.12　Storage characteristics of SMES coil

圖13　SMES線圈的電流特性Fig.13　Current characteristics of SMES coil

5　結論

文章研究采用SMES增強DFIG故障穿越能力，使風電機組滿足中國LVRT和美國HVRT技術標準，Matlab/Simulink仿真結果表明，無SMES時，PCC電壓超出許可電壓，風電機組將脫網。當加入SMES及相應控制時，風電機組的故障穿越能力得到極大改善，在故障發生時風電機組能持續并網運行，保證電力供應的連續性。

［1］ Joos G. Wind turbine generator low voltage ride through requirements and solutions［C］. 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conver- sion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century， Pittsburgh， PA， 2008：1-7.

［2］ 賀益康， 周鵬. 變速恒頻雙饋異步風力發電系統低電壓穿越技術綜述［J］. 電工技術學報，2009， 24（9）： 140-146. He Yikang， Zhou Peng. Overview of the low voltage ride-through technology for variable speed constant frequency doubly fed wind power generation systems［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2009，24（9）： 140-146.

［3］ 國家電力監管標準化委員會. GB/T 19963—2011 風電場接入電力系統技術規定［S］. 北京： 中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局， 2011.

［4］ 郭文勇， 趙彩宏， 張志豐， 等. 電壓型超導儲能系統的統一直接功率控制方法［J］. 電網技術， 2007， 31（9）： 58-63. Guo Wenyong， Zhao Caihong， Zhang Zhifeng， et al. A unified direct power control method for voltage type superconducting magnetic energy storage system［J］. Power System Technology， 2007， 31（9）： 58-63.

［5］ 侯勇， 蔣曉華， 姜建國. 基于超導儲能的綜合電能質量調節裝置及其控制策略［J］. 電力系統自動化， 2003， 27（21）： 49-53. Hou Yong， Jinag Xioahua， Jinag Jianguo. SMES based unified power quality conditioner and control strategy［J］. Automation of Electric Power Systems， 2003， 27（21）： 49-53.

［6］ 李君， 徐德鴻， 鄭家偉， 等. 超導儲能系統用多模塊電流型變流器載波輪換均流方法［J］. 中國電機工程學報， 2004， 24（7）： 106-111. Li Jun， Xu Dehong， K W E Cheng， et al. Carrier- swapping method to equalize current in a multi- modular current source converter for SMES［J］. Proceedings of the CSEE， 2004， 24（7）： 106-111.

［7］ 彭曉濤， 程時杰， 王少榮， 等. 基于反饋線性化的超導磁儲能裝置控制器研究［J］. 電力自動化設備， 2006， 26（6）： 5-8. Peng Xiaotao， Cheng Shijie， Wang Shaorong， et al. Study on controller of superconducting magnetic energy storage based on feedback linearization［J］. Electric Power Automation Equipment， 2006， 26（6）： 5-8.

［8］ Hemeida AM. A fuzzy logic controlled superconducting magnetic energy storage， SMES frequency stabilizer［J］. Electric Power Systems Research， 2010， 80： 651-656.

［9］ 李艷， 程時杰， 潘垣. 超導磁儲能系統的自適應單神經元控制［J］. 電網技術， 2005， 29（20）： 57-61. Li Yan， Cheng Shijie， Pan Yuan. Adaptive single neuron based control for super conducting magnetic energy storage unit［J］. Power System Technology， 2005， 29（20）： 57-61.

［10］ 彭曉濤， 程時杰， 王少榮， 等. 非線性PID控制器在超導磁儲能裝置中的應用研究［J］. 電網技術， 2005， 29（5）： 37-43. Peng Xiaotao， Cheng Shijie， Wang Shaorong， et al. Research on application of nonlinear PID controller in superconducting magnetic energy storage［J］. Power System Technology， 2005， 29（5）： 37-43.

［11］ 劉紅翠， 王德林， 李蕓. SMES抑制電力系統功率振蕩的控制策略研究［J］. 電網技術， 2014， 38（11）： 3128-3133. Liu Hongcui， Wang Delin， Li Yun. Research on control strategy to suppress power oscillation in power grid by superconducting magnetic energy storage［J］. Power System Technology， 2014， 38（11）： 3128-3133.

［12］ 方家琨， 苗璐， 文勁宇， 等. 含風電-SMES的電力系統暫態穩定概率評估［J］. 電力系統保護與控制， 2013， 41（1）： 176-182. Fang Jiakun， Miao lu， Wen Jinyu， et al. Transient stability probability evaluation of power system incorporating with wind farm and SMES［J］. Power System Protection and Control， 2013， 41（1）： 176-182.

［13］ 李東東， 陳陳. 風力發電機組動態模型研究［J］. 中國電機工程學報， 2005， 25（3）： 115-119. Li Dongdong， Chen Chen. A study on dynamic model of wind turbine generators sets［J］. Proceedings of the CSEE， 2005， 25（3）： 115-119.

［14］ 蔡國偉， 孔令國， 楊德友， 等. 大規模風光互補發電系統建模與運行特性研究［J］. 電網技術， 2012， 36（1）： 65-71. Cai Guowei， Kong Lingguo， Yang Deyou， et al. Research on modelling and operation characteristics analysis of large-scale wind & light complementary electricity-generating system［J］. Power System Techno- logy， 2012， 36（1）： 65-71.

［15］ 郎斌斌， 穆鋼， 嚴干貴， 等. 聯網風電機組風速-功率特性曲線的研究［J］. 電網技術， 2008， 32（12）： 74-78. Lang Binbin， Mu Gang， Yan Gangui， et al. Research on wind speed vs output power characteristic curve of wind power generator interconnected with power grid［J］. Power System Technology， 2008， 32（12）： 74-78.

劉金虹 男，1985年生，博士，研究先進電力儲能及其在微網中的應用。

張 輝 男，1963年生，教授，博士生導師，研究節能與新能源發電、電動車驅動系統。

Application of SMES to Improve Fault Voltage Ride Through Capability of Doubly Fed Induction Generator

Liu Jinhong1，2Zhang Hui1，2Li Jie1Yang Binghan1Min Yang1
（1. Xi'an University of Technology Xi'an 710048 China 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xian Jiao Tong University Xi'an 710049 China）

Recently， with the rapid increase of wind power generation， the trip off of wind farm will have an increasing impact on power system .In this paper， the fault ride through grid codes of wind farm is introduced at first， then a third-order phase model is used for superconducting magnetic energy storage （SMES）. The integrated control system of DFIG is divided into wind generator control system， rotor side and the stator side converter control system. SMES unit is used to improve fault ride through capability and dynamic response of DFIG. At last， the simulation model of SMES+DFIG are built in Matlab/Simulink， high voltage ride through（HVRT）grid code of the United States and low voltage ride through（LVRT）grid code of China are used to verify the ability of the SMES unit to avoid wind turbine generator from being disconnected from the grid.

Superconducting magnetic energy storage， fault voltage ride through， doubly fed induction generator， phasor model

TM921

國家自然科學基金（51277150、51307140），陜西省工業攻關計劃（2013K07-05），陜西省教育廳產業化培育（14JF020），陜西省重點學科建設專項資金（105-5X1201），電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金（EIPE12209）資助項目。

2014-08-25 改稿日期 2015-04-08