兩種直流側卸荷直驅風機LVRT分析

任天鴻， 晁 勤， 唐彬偉， 王海亮， 謝雙玲

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京100176；3.江蘇電力公司檢修分公司輸電檢修中心，江蘇南京211100；4.海南耐迪電力工程有限責任公司，海南海口570217)

兩種直流側卸荷直驅風機LVRT分析

任天鴻1， 晁 勤1， 唐彬偉2， 王海亮3， 謝雙玲4

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京100176；3.江蘇電力公司檢修分公司輸電檢修中心，江蘇南京211100；4.海南耐迪電力工程有限責任公司，海南海口570217)

隨著并網(wǎng)風電機組的日益增加，風力機組與電網(wǎng)間的相互影響日益突出。國家電網(wǎng)企業(yè)標準Q/GDW 392-2009及國標GB/T19963-2001均對風電機組的低電壓穿越能力提出了明確的技術要求。分析了大功率永磁風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時的暫態(tài)特性，建立了基于Chopper與超級電容器的兩種直流側卸荷電路及相應的控制策略。并在PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下搭建了相應的并網(wǎng)仿真模型，仿真對比了在電網(wǎng)電壓嚴重跌落時兩種卸荷電路對機組暫態(tài)特性的影響。仿真結果表明在網(wǎng)側電壓跌落的時候，兩種卸荷方式在穩(wěn)定直流側電壓和系統(tǒng)恢復方面，各有優(yōu)勢。

直流側卸荷電路；超級電容器；永磁直驅并網(wǎng)系統(tǒng)；低電壓穿越

隨常規(guī)能源的消耗與環(huán)境污染的日益加重，風力發(fā)電得到了廣泛的重視與發(fā)展。風力發(fā)電也由最初的作為偏遠地區(qū)的離網(wǎng)型小機組發(fā)展到了并網(wǎng)型大功率機組。近年來風力發(fā)電并網(wǎng)功率日漸增大，而其固有的出力波動性、間斷性對電網(wǎng)的影響也日趨明顯。電網(wǎng)公司根據(jù)實際運行及自身條件對風電并網(wǎng)提出了技術要求與準入規(guī)則。近年來由于故障或擾動造成的大規(guī)模風機脫網(wǎng)事故對我國西北電網(wǎng)、蒙西電網(wǎng)等區(qū)域電網(wǎng)造成了嚴重的影響，故對要求并入電網(wǎng)的風機滿足低電壓穿越等電網(wǎng)標準。

直驅風力發(fā)電機組具有維護費用小，運行成本低，可靠性高等優(yōu)點[1]。其雙向的PWM拓撲結構[2]使得其具有較好的有功無功解耦控制特性，與早期的定速與雙饋機組相比，具有較好的低電壓穿越能力[3]。

當網(wǎng)側發(fā)生電壓跌落時，風力機組的出力無法送至網(wǎng)側，而風機側變流器依然對定子的最大功率追蹤，風電機組的輸入功率大于輸出功率，直流側電容電壓升高，將會損害變流器，此時機側變流器的電壓、電流、有功、無功都會產生振蕩，若不采取有效措施，將導致PMSG脫網(wǎng)，故必須采取措施對風電機組變流器直流側電壓進行有效限制。為保證變流器直流側安全，常用的方法有直流側加裝Chopper[4]、超級電容器[5-7]、蓄電池等方式，目的是平抑多余的能量，平衡風力發(fā)電機組輸入與輸出功率，將直流側電壓穩(wěn)定在一定范圍內，實現(xiàn)低電壓穿越。

本文介紹了電網(wǎng)對風電接入系統(tǒng)的技術規(guī)定和準則，根據(jù)永磁風力發(fā)電機組的工作原理基于PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境搭建了PMSG并網(wǎng)模型[8-10]，介紹了主動式IGBT型Chopper電路及超級電容器，對風機并網(wǎng)點電壓突然跌落行了仿真，并針對故障，分別采用Chopper回路與超級電容器的投切與控制，對比分析了兩種不同方案下PMSG在低電壓跌落情況下的動態(tài)特征。

1 風電機組低電壓穿越能力要求

風電機組低電壓穿越能力(LVRT)是指當風電機組并網(wǎng)點電壓跌落超出正常運行電壓范圍時，在規(guī)定時間內，風電機組能夠按照標準要求不脫網(wǎng)連續(xù)運行，并平穩(wěn)過渡到正常狀態(tài)的能力。我國國網(wǎng)標準Q/GDW 392-2009與國標GB/T 19963-2011對風電機組低電壓穿越能力的要求見圖1。

圖1 風電場低電壓穿越能力標準

圖1中風電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓曲線以上的區(qū)域及以上的區(qū)域內時，風電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行，風電機組端電壓跌落到額定電壓的20%時，要求風電機組能夠維持運行625 ms，風電場PCC點電壓在3 s時恢復到額定電壓的90%，風電機組保持并網(wǎng)運行。

2 永磁直驅風機建模與并網(wǎng)控制

2.1 永磁直驅風電機組工作原理

永磁直驅風力發(fā)電機(PMSG)由永磁風機與雙PWM變頻器與電網(wǎng)相連。機側與風機相連的AC/DC變流器通過網(wǎng)側軸與軸電流控制發(fā)電機轉矩與無功，網(wǎng)側則參考電網(wǎng)的軸與軸電流實現(xiàn)通過上述控制方式，分別實現(xiàn)了變流器直流側與發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)側的有功、無功解耦控制。

2.2 永磁直驅風機機側控制

PMSG機側通過變流器對發(fā)電機定子電流進行控制，從而控制發(fā)電機的電磁轉矩，進而對發(fā)電機轉速進行控制。在0坐標下，永磁直驅發(fā)電機組的方程為：

雙環(huán)的外環(huán)采用直接功率控制，內環(huán)采用電流控制。為使發(fā)電機單位功率因數(shù)運行，對軸電流參考值設置為0，內環(huán)軸電流參考值通過外環(huán)功率控制，即參考功率與電網(wǎng)實際功率作差通過PI控制獲得。

圖2 PMSG機側控制圖

2.3 PMSG網(wǎng)側控制

網(wǎng)側變流器的控制是基于電網(wǎng)電壓矢量的控制。控制原理圖如圖3所示。

圖3 PMSG網(wǎng)側控制圖

3 Crowbar及超級電容器結構與控制

3.1 直流側卸荷電路原理

PMSG的直流側卸荷電路由IGBT與卸荷電阻構成。

電網(wǎng)電壓跌落時，轉子過流，Crowbar檢測到直流側電壓過高時投用。Crowbar將接通變流器直流側卸荷電路，通過遲滯比較環(huán)節(jié)，控制IGBT導通，將多余的電能通過消耗掉，從而使直流側不過壓(圖4)。

圖4 直流側卸荷電路控制原理圖

卸荷電阻值的選擇按照最嚴重情況考慮，即風機在滿發(fā)時網(wǎng)側發(fā)生深度電壓跌落。卸荷電阻可通過式(5)計算得到：

3.2 超級電容器卸荷電路原理

如圖5所示，超級電容器通過非隔離型雙向buck-boost電路與PMSG變流器直流側電容相連。

圖5 超級電容器及DC-DC原理圖

超級電容器的作用是穩(wěn)定直流側母線電壓，當直流側母線電壓過高時，該電路工作在buck模式下，對電容器充電；當直流側母線過低時，工作在boost狀態(tài)，電容器放電，穩(wěn)定直流側母線電壓，本文僅對buck工況進行討論。

4 仿真分析與算例驗證

本文基于PSCAD/EMTDC環(huán)境搭建了PMSG風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，針對網(wǎng)側發(fā)生的電壓跌落，對比仿真未加裝保護裝置、加裝卸荷電阻和超級電容器的低電壓穿越動態(tài)特性。

電壓跌落幅度為80%，永磁風機功率1.5 MW，定子額定電壓為0.69 kV，額定轉速為28 r/min，極對數(shù)為32，定子漏電阻為0.064 p.u，定子線圈電阻為0.017 p.u；變流器直流側穩(wěn)壓電容為75 mF，直流側電壓為1.5 kV；在1 s時故障發(fā)生，在1.625 s時故障消失，故障持續(xù)時間為0.625 s，風速保持恒定。

圖6和圖7為電壓跌落過程中，并網(wǎng)點電壓的波形圖與恢復正常時波形。觀察圖7：裝超級電容器的電路率先回穩(wěn)；接入卸荷電阻的電路波形趨穩(wěn)過程稍慢于采用超級電容器卸荷的電路；未裝設卸荷電路的PCC點電壓趨穩(wěn)時間最長。

觀察圖8：永磁風機的輸出功率波動，未裝設卸荷電路時，其輸出有功最低將跌落到0.2 MW以下；接入超級電容器時，發(fā)電機的出力維持在1.0 MW；而卸荷電阻在電壓跌落時，維持其出力在1.1 MW以上。卸荷電阻對發(fā)電機組出力穩(wěn)定的效果最好。

觀察圖9網(wǎng)側電壓大幅跌落時，若不投入卸荷電路，由于控制系統(tǒng)中的給定值與實際值相差太大，PI調節(jié)器深度飽和，難以恢復有效調節(jié)狀態(tài)，當網(wǎng)側電壓恢復時，機組依然失控，不能快速回穩(wěn)。卸荷電阻對直流側的電壓穩(wěn)定性有更好的效果；超級電容器在風電機組出力波動中，不斷存儲電能，逐漸達到其存儲上限無法有效地鉗制直流側電壓上升。

觀察圖10未投入卸荷電路時，從故障發(fā)生到故障切除，發(fā)電機轉速與投入卸荷電路相比，始終處于較大波動狀態(tài)，而投入直流側超級電容器和卸荷電阻情況下，轉子轉速始終波動很小，僅僅在網(wǎng)側電壓恢復時，有所波動，且卸荷電阻對發(fā)電機轉速的穩(wěn)定效果最好。

圖6 并網(wǎng)點電壓

圖7 并網(wǎng)點電壓

圖8 永磁直驅風機輸出有功

圖9 直流側電壓標幺值

圖10 發(fā)電機轉子轉速標幺值

5 結論

本文在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下建立了PMSG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及LVRT控制模型，針對網(wǎng)側電壓跌落至0.2倍額定電壓時，分別就未接入卸荷電路、接入超級電容器和接入Crowbar進行了仿真研究，結果表明：

(1)在并網(wǎng)永磁直驅風機的出力穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定方面，卸荷電阻的效果明顯優(yōu)于超級電容器，功率波動、電壓波動、轉速波動均維持在很小范圍內，能在短時間內消耗由于網(wǎng)側電壓跌落而無法送出的風機出力。

(2)從PCC點電壓的恢復和并網(wǎng)電流的波動可以得出：超級電容器的過渡狀態(tài)更為柔和，在網(wǎng)側電壓恢復時，超級電容器能以最快的速度使并網(wǎng)永磁風機系統(tǒng)恢復正常，且超調量最小，趨穩(wěn)時間最短，穩(wěn)定性最好。

(3)通過直流側卸荷電路，減小了網(wǎng)側電壓跌落和恢復階段過電壓的幅度，在電壓跌落過程中，直流側電壓穩(wěn)定在變流器可控的范圍內，網(wǎng)側變流器始終在可控狀態(tài)，當網(wǎng)側電壓恢復時，永磁直驅風機可迅速恢復穩(wěn)定運行。

(4)綜合考慮卸荷電阻穩(wěn)定有功、電壓及轉速優(yōu)于超級電容器，是由于超級電容器屬于儲能元件，隨著能量的吸收，端電壓逐漸升高，同時超級電容器內環(huán)電流環(huán)對流入超級電容器的電流有所限制，其對電能的吸納能力逐漸下降，而卸荷電阻將電能及時消耗掉，故有較好的穩(wěn)定性。

本文僅針對并網(wǎng)型永磁直驅變流器直流側的電壓、有功輸出、轉速PCC點電壓等指標進行了分析研究，針對于永磁直驅風電機組的LVRT特性，還有待進一步深入研究。

[1]劉勝文，包廣清，范少偉，等.PMSG無功控制和低電壓穿越能力的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(2)：135-140.

[2]楊恩星，仇志凌，陳國柱，等.并聯(lián)雙PWM變流器在低速永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(10)：95-98.

[3]肖磊.直驅型永磁風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[4]姚駿，廖勇，莊凱.電網(wǎng)故障時永磁直驅風電機組的低電壓穿越控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(12)：91-96.

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[8]王文亮，葛寶明，畢大強.儲能型直驅永磁同步風力發(fā)電控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(14)：43-48.

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Comparative analysis of PMSG LVRT on two different chopper

With the increase of wind turbine more and more,the interaction of wind power and power grid became increasingly prominent.The enterprise standard of state grid Q/GDW 392-2009&GB/T19963-2001 clarified a clear technical requirements for the LVRT of wind turbine.Based on the voltage drop transient characteristic of large power PMSG, the actual grid connected-PMSG and chopper&ultracapacitor, the model of them were set up in PSCAD/EMTDC,specific to the terrible voltage drop of PCC.The two different transient characteristic were simulated and compared of chopper circuits.From the result it is clearly that at the PCC voltage drop,the two different circuits have their own different advantages at the DC voltage and system recovery etc

crowbar;ultracapacitor;PMSG grid-connected system;LVRT

TM 77

A

1002-087 X(2016)03-0715-04

2015-08-03

科技部“國家國際科技合作專項資助”項目(172013DFG61520)；國家自然科學基金資助項目(51267020)

任天鴻(1981—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；導師：晁勤(1959—)，女，湖南省人，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)綜合自動化和并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性等。