直驅式永磁同步風機組低電壓穿越的控制策略研究

崔立悅++高桂革++曾憲文

摘 要：永磁直驅風電機構成的直驅恒頻變速發電系統可通過全功率變流器與電網連接。當電網發生故障時，不僅會對發電機造成損壞，還會影響風力發電系統的安全運行。分析了系統故障期間機側網側功率不平衡的機理，基于發電機轉子慣性儲能及換流器無功補償能力，提出了一種新型直驅風力發電系統的網側故障穿越策略。在電網側故障期間通過提高轉子轉速配合直流側儲能系統消耗機側富余功率，以減低直流系統輸出的不平衡功率，抑制故障期間直流側電壓攀高。應用仿真軟件建立了單機系統的模型，仿真結果驗證了控制策略的有效性。

關鍵詞：永磁風電機組；低電壓穿越；儲能設備；無功補償

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.015

近年來，風電技術得到了飛速發展，風電場的裝機容量也逐年增高，風力發電對電網影響已經不可忽視。電網對風電機組的故障穿越能力的要求也越來越嚴格，其中，主要有對風電機組低電壓穿越能力的要求。我國于2011年制定了風電技術接入電網的規定，不僅要求風電系統具備低電壓穿越的要求，還要求低電壓穿越期間風電機組具備一定的無功控制補償能力。

直驅永磁發電機組（PMSG）與電網之間通過背靠背變流器實現了隔離，采用大功率變流器進行換流操作，相比雙饋風機機組，在故障穿越能力和無功控制能力上具有更大的優勢。目前，有不少研究者對該方面進行了改進研究，曾提出利用變流器控制直流電壓穩定及電流正負序分量實現不對稱故障穿越，而這需要對故障迅速反應，檢測要求高；添加混合儲能裝置，故障時可吸收機側輸出功率，穩定直流鏈電壓，實現故障穿越，但未發揮儲能裝置的后續作用；還有人提出了一種變流器控制方案，可調節機側變流器輸出功率，機側變流器內環為快速響應電流環，外環為速度環，參考值最大功率跟蹤，故障時可切換模式，降低電機轉速，限制輸出功率；有人提出網側變流器故障下STATCOM運行模式，故障時可調整變流器功率因數，為電網提供無功支持；有人提出應減小電機輸出功率，實現故障時低電壓穿越控制，直流電壓值基本保持穩定，但電機轉速較高，對電機損傷較大。

本文提出了一種基于儲能的低電壓故障穿越控制策略，用以解決系統故障期間風電機組有功功率不平衡和無功功率的支撐的問題，實現了發電機的低電壓穿越。采取風電機組慣性儲能配合直流側儲能設備消耗來自電網電壓跌落時產生的有功不平衡功率，故障期間網側變流器采用電壓控制模式運行，為系統提供了無功支持，最后通過仿真驗證了控制策略的可行性和有效性。

1 直驅風力發電機模型

1.1 風電系統基本結構及動力模型

直驅永磁同步發電機組由風力發電機、機側變流器、直流電容、網側逆變器等組成。永磁發電機發出的交流電通過機側整流器變為直流后，再由網側逆變器轉換成交流電輸入電網。

常見風力發電機有三葉機、水平軸風電機，當風作用在風輪上，風輪只能吸收風能的一部分。由空氣動力學可知，風機的輸出功率為：

式（1）（2）中：S為葉片旋轉面積；ρ為空氣密度；Vw為風速；β為葉片的槳距角；λ為葉尖速比；ωw為風機轉速；R為風輪半徑。

根據貝茨理論可知，上述CP為風能系數，具體表達式如下：

在不同的β角和λ的取值情況下，可計算得到風力機的功率系數曲線。

1.2 系統低電壓特性分析

本文采用直驅式永磁同步發電系統，風力發電機經背靠背雙PWM變流器接入電網。風力發電機捕獲的風能機械功率為Pm，發電機輸出電磁功率為Ps，網側變流器輸出的有功功率為Pg. 在系統穩態且不計損耗的情況下，Pm=Ps=Pg. 發電機轉速及直流母線電壓都可保持穩定。

當電網側故障時，電網側電壓跌落，由于系統功率震蕩及變流器的限流控制，網側變流器輸出功率Pg不穩定。而因全功率變流器具有的隔離作用，發電機側變流器輸出電磁功率Ps 僅取決于風速的變化，不會隨電網側輸出功率變化而變化，將導致直流側功率的不平衡，直流母線電壓升高和劇烈振動會影響風電系統的穩定運行。因此，為了抑制直流母線的振動，提高直驅永磁風電機的低電壓穿越能力，需要在風機直流側安裝輔助設備，幫助消耗或存儲風機的不平衡能量，從而實現低電壓穿越。

2 低電壓穿越的控制策略

早本文提出的控制策略中，直流母線電壓與發電機定子電壓受控于機側變流器，而不是受控于網側變流器，這種變換有利于故障時的系統低電壓穿越能力。利用風電機組的機械慣性存儲電網故障引起的不平衡能量。以往的控制方法都是轉子轉速超過額定轉速時才進行變槳調節，而槳距角調節速度過慢，對短時故障的作用甚微。本文采取直流側儲能切入代替緊急變槳，從而存儲故障時的不平衡能量。此外，網側變流器還可控制輸出有功功率和無功功率，在故障時向電網提供無功支持。

2.1 機側變流器控制

發電機側變流器控制方法在外環控制與傳統方法不同，由定子電壓和直流母線電壓偏差產生發電機定子電流參考值i*sd和i*sq，isq控制發電機電磁功率與電網變流器輸出有功功率始終相同，將直流側功率的不平衡轉變為發電機的機械功率和電磁功率的不平衡，并將不平衡能量存儲在轉子上轉換為機械功率，從而實現低電壓穿越。發電機側變流器內環控制框圖如圖1所示，發電機側變流器外環控制框圖如圖2所示。

2.2 網側變流器控制

網側變流器控制方法中，外環控制與傳統控制的方法不同。電網側逆變器通過對電網電壓的判斷，可實現網側輸出有功和無功功率的協調控制。當電網電壓正常時，運行最大功率跟蹤模式；當電網電壓跌落時，運行無功功率優先控制模式。同時，為了避免有功電流突變引發直流側電容充放電電流突變，在電網側逆變器輸出的有功電流控制環節增加了限流控制，有效抑制了因電網側逆變器工作模式切換而引起的直流側電壓的振動。

當因電網短路故障而引起電壓跌落時，風電場在低電壓穿越過程中向電網注入的無功電流為：

Iq≤1.5×（0.9-Ug）IN，0.2≤Ug≤0.9. （5）

式（5）中：Ug為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電場額定電流。

由式（5）可計算無功優先控制時的無功電流。電網側變流器外環控制框圖如圖3所示。

2.3 低電壓穿越控制流程

當電網側發生故障時，電網側電壓跌落，參考網側電壓對機側有功功率重新計算，減小有功參考值輸出，使機側輸入功率與網側輸出功率動態平衡。由于機械功率無法突變，發電機轉速會繼續上升。如果輕度跌落，發電機轉速未超過額定轉速，系統成功實現低電壓穿越；如果轉速超出最大轉速ωmax，則切除變槳停止轉速上升，投入直流側儲能系統，消耗不平衡有功。如果將儲能系統與變槳減出力協調控制，則能更好地實現低電壓穿越。

3 系統仿真

為了驗證所提出的控制策略效果，搭建了電系統仿真模型，主要參數如表1所示。電網輕度跌落各變量波形如圖5所示。

由仿真結果圖4可以看出，電網電壓跌落20%時，電機轉速上升，可儲存多余的有功功率，直流側電容電壓升高，而電機轉速在故障時間內持續上升，并超出系統安全值。在網側故障切除后，電機轉速逐漸下降至正常運行時的速度，系統實現低電壓穿越。電網深度跌落變量波形如圖6所示。

（a）電網側電壓 （b）電機轉速

（c）機側有功功率輸出 （d）直流側電容電壓

由圖5可以看出，當電網電壓深度跌落80%時，跌落的瞬間電機轉子轉速呈直線迅速上升。在故障時間內，電機轉速達到系統運行安全值，轉速停止上升。此時，直流側電壓迅速攀高，投入直流側儲能裝置，吸收剩余的電功率。直流側電壓回降，電機轉速也隨時間的推移降低。故障時間內能保持不脫網運行，最終實現了低電壓穿越。

4 結束語

本文對電網電壓跌落時直驅永磁發電系統的低電壓穿越過程進行了研究，針對電機轉子儲能這一特點提出了一種新的控制策略，故障期間利用轉子轉速提升了慣性動量和直流側儲能系統，用以儲存系統剩余功率，減小直流系統輸出的不平衡功率，阻止直流側電壓攀高。仿真并驗證了PMSG在此控制策略下的低電壓穿越能力，具有一定的實用性。

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〔編輯：張思楠〕