直驅(qū)風(fēng)機HVRT兩種直流側(cè)卸荷方法對比仿真研究*

李朋宇，何山，王松，王杰，陳先飛，粱繼存

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830049；2. 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，烏魯木齊 830049)

0 引 言

面對日益嚴峻的環(huán)境問題，世界各國開始大力發(fā)展風(fēng)電。風(fēng)電行業(yè)在我國經(jīng)濟的長期發(fā)展中占有重要地位，因此風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)的影響已經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。為了降低風(fēng)電脫網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響[4-8]，我國《風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定并網(wǎng)的風(fēng)電機組必須具備低電壓穿越能力(Low Voltage Ride Through, LVRT)。近些年來的事故表明，在低電壓故障消除后，接入風(fēng)電場的高壓線路可能發(fā)生電壓驟升現(xiàn)象，另外，大量無功補償設(shè)備的投入，風(fēng)電負荷突然急劇減少等因素也會引起電網(wǎng)電壓的驟升，嚴重的將引起風(fēng)電場脫網(wǎng)。永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機組通過全功率變流系統(tǒng)連接到電網(wǎng)上，省去用于傳動的齒輪箱，同時低損耗、維護費用低、調(diào)速范圍寬、效率高[9-12]。相比于雙饋風(fēng)電機組，由于PMSG與電網(wǎng)實現(xiàn)了解耦，直驅(qū)風(fēng)電機組的電壓穿越能力更好[13-14]。

與風(fēng)電機組的低電壓穿越相比，風(fēng)電機組電壓驟升會帶來并網(wǎng)逆變器控制裕度下降，若失控將導(dǎo)致能量倒流從而引起直流側(cè)過電壓或過電流。按照對于故障期間多余能量的處理方式，主要有以下兩種方法：第一種方法是消耗型卸荷電路，其原理主要是通過卸荷電阻來消耗多余能量。文獻[15]主要提出一種新的改變網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，通過Crowbar卸荷電路和提供無功電流從而實現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機組的高電壓穿越；文獻[16]主要采用直流母線斬波電路實現(xiàn)風(fēng)電機組的高電壓穿越。第二種方法是采用儲能型卸荷電路，其原理主要是通過儲能裝置把多余能量儲存起來，待故障結(jié)束后再將多余能量釋放。文獻[17]提出采用超導(dǎo)磁儲能提升雙饋風(fēng)機高電壓穿越能力；文獻[18-20]提出了一種電池和超級電容組成的混合儲能技術(shù)，從而實現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機組電壓穿越能力的提高。

以2.5 MW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，網(wǎng)側(cè)變流器在穩(wěn)態(tài)時采用單位功率因數(shù)控制，暫態(tài)時采用無功優(yōu)先的控制策略，在電網(wǎng)電壓三相對稱故障下，對直驅(qū)風(fēng)電機組在直流母線斬波電路卸荷和超級電容儲能系統(tǒng)實現(xiàn)高電壓穿越進行對比研究。

1 各國對高電壓穿越標準

國外最早開始風(fēng)電機組高電壓穿越的研究，不同國家以及地方電網(wǎng)公司，制定了不同的高電壓穿越標準。國外部分國家和地區(qū)對于高電壓穿越的標準如圖1所示。

圖1 國外高電壓穿越要求

并網(wǎng)準則要求風(fēng)電機組在曲線以上區(qū)域不允許脫網(wǎng)，并對時間有嚴格要求。最早提出風(fēng)電機組高電壓穿越要求的國家是澳大利亞：當電網(wǎng)側(cè)電壓驟升至1.3Un，并網(wǎng)機組在60 ms內(nèi)不脫網(wǎng)，并且提供足夠大電流以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)；德國某公司制定的并網(wǎng)準則中不僅規(guī)定風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓升至1.2Un時不脫網(wǎng)，而且要求機組消耗一定量的無功功率，同時要求無功電流和電網(wǎng)電壓的比值為2：1。綜上所述，各并網(wǎng)準則提出高電壓穿越標準不盡相同，但機組運行時間均不超過1 s。國內(nèi)尚無此類標準，因此，采用了美國WECC(Western Electricity Coordinating Council)關(guān)于高電壓穿越的標準，該標準規(guī)定了風(fēng)電機組必須在電網(wǎng)電壓升高到1.2Un時，機組能夠維持并網(wǎng)1 s。

超級電容儲能系統(tǒng) (Super Capacitor Energy Storage System，SCESS)由超級電容器組和雙向Buck/Boost變換器組成。在該電路中，V1和VD2構(gòu)成了降壓斬波電路，主要用來存儲多余能量；V2和VD1構(gòu)成了升壓斬波電路，主要用于釋放能量。其中對V1與V2采用滯環(huán)比較方式觸發(fā)，為防止同時導(dǎo)通，并對觸發(fā)信號進行互鎖，如圖2所示。

圖2 基于SCESS的風(fēng)電變流器拓撲結(jié)構(gòu)

2 直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制策略分析

2.1 機側(cè)變流器控制策略

機側(cè)變流器主要對PMSG控制，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，一般采用雙閉環(huán)矢量控制即基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)速外環(huán)控制以及電流內(nèi)環(huán)控制,如圖3所示。

圖3 機側(cè)變流器控制框圖

PMSG在d-q坐標系的電壓方程為：

(1)

式中usd、usq分別為發(fā)電機定子電壓的d、q軸分量；isd、isq分別為發(fā)電機定子電流的d、q軸分量；Rs為定子電阻；Ld和Lq為發(fā)電機d、q軸電感；ωr為發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

當直驅(qū)風(fēng)電機組正常運行時，網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓外環(huán)雙、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。將電網(wǎng)電壓合成矢量定向于同步坐標系的d軸，即ud=ugd，ugq=0，在d-q坐標軸上，網(wǎng)側(cè)變流器的電壓和功率分別為：

(2)

(3)

式中usd、usq分別為網(wǎng)側(cè)變流器電壓的d、q分量；igd、igq分別為網(wǎng)側(cè)變流器電流的d、q軸分量；R、L分別為濾波器電阻和電感；ω為電網(wǎng)角頻率；ugd、ugq分別為電網(wǎng)電壓的d軸分量以及q軸分量。

由式(3)可知采用電網(wǎng)電壓定向，能夠?qū)崿F(xiàn)有功電流和無功電流的解耦，控制d軸電流即控制有功功率，同樣控制q軸電流即控制無功功率。

3 仿真分析

隨著風(fēng)機單機容量越來越大，本文以2.5 MW直驅(qū)風(fēng)機為仿真模型，并網(wǎng)電壓690 V，經(jīng)過升壓變壓器與35 kV電網(wǎng)相連，風(fēng)電機組和電網(wǎng)參數(shù)見表1所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

參數(shù)名稱參數(shù)值額定電壓/V690額定轉(zhuǎn)速/(r/min)14極對數(shù)p42定子電阻/Ω0.001 5直軸電感/mH1.2交軸電感/mH1.2直流電壓額定值/V1 100串聯(lián)電阻/Ω0.54直流側(cè)電容器/mF8電網(wǎng)額定頻率/Hz50

文中對于風(fēng)機在發(fā)生三相對稱故障下，使用斬波電路和加超級電容電路兩種運行方式進行仿真驗證。根據(jù)第一節(jié)介紹的WECC標準，現(xiàn)設(shè)定電網(wǎng)電壓在0.8 s時升高到1.2Un，1 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù)到額定電壓，同時為敘述方便本文所提到的電壓、電流均采用標幺值。

3.1 斬波電路作為卸荷電路

圖5和圖6分別是電網(wǎng)發(fā)生故障后的電壓波形和電流波形，0.8 s時電壓驟升至1.2Un電流降至0.4In，到1.8 s逐步恢復(fù)正常。圖7所示直流母線電壓，0.8 s直流母線電壓驟升至最大約1 188 V，最小約1 045 V，故障初期網(wǎng)側(cè)變流器變化平滑，有效地保護了網(wǎng)側(cè)變流器，但是故障恢復(fù)時波動較大。圖8所示為網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率、無功功率曲線，故障前按照單位功率因數(shù)運行，故障期間有功功率降至1 MW，降幅60%，同時提供約0.3 Mvar感性無功用以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。可見在電壓驟升情況下，風(fēng)電機組仍可以正常并網(wǎng)運行，斬波卸荷電路能夠提升風(fēng)電機組的HVRT能力。

圖5 電網(wǎng)電壓波形

圖6 網(wǎng)側(cè)電流波形

圖7 直流母線電壓

圖8 電網(wǎng)側(cè)有功功率與無功功率曲線

3.2 超級電容作為卸荷電路

在電網(wǎng)電壓驟升時，利用超級電容儲能系統(tǒng)吸收多余能量，抑制直流側(cè)電壓升高，故障結(jié)束后，超級電容再將能量釋放到電網(wǎng)。相比于卸荷電路，系統(tǒng)效率得到提高。圖9為電網(wǎng)電壓波形。圖10為電網(wǎng)電流波形。圖11為直流母線電壓，直流電壓最大1 155 V，最小值1 078 V，超級電容能夠迅速穩(wěn)定直流母線電壓，且故障恢復(fù)階段波動較小。圖12所示為網(wǎng)側(cè)變流器有功功率、無功功率曲線，相比于斬波卸荷電路，有功功率降至0.8 MW，且波動較小，同時提供約0.3 Mvar無功功率以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。可見在電網(wǎng)電壓驟升情況下，機組仍能保持并網(wǎng)運行，通過超級電容儲能系統(tǒng)不但能夠有效抑制了直流電容上的波動，提升了直流電容安全穩(wěn)定運行能力，更有利于提升風(fēng)電系統(tǒng)的HVRT能力、加速系統(tǒng)有功恢復(fù)過程。有關(guān)兩種電路HVRT結(jié)果的對比如表2所示。

圖9 電網(wǎng)電壓波形

圖10 網(wǎng)側(cè)電流波形

圖11 直流母線電壓

圖12 電網(wǎng)側(cè)有功功率與無功功率曲線

對比項目斬波電路超級電容直流母線電壓波動范圍/pu.[0.95,1.09][0.98,1.05]故障恢復(fù)超調(diào)量0.050.02有功功率波動范圍/MW[0.5,2.6][0.8,2.8]跌落深度0.60.68提供無功功率/Mvar0.50.3

4 結(jié)束語

在Matlab/Simulink中建立了PMSG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及HVRT控制模型，在電網(wǎng)電壓驟升至相同工況下，分別投入斬波卸荷電路和超級電容儲能系統(tǒng)進行仿真研究，結(jié)果表明：

(1)在直驅(qū)風(fēng)電機組平抑直流母線波動方面，相比于斬波卸荷電路，超級電容器的響應(yīng)更快，能把直流母線電壓波動維持在很小范圍內(nèi);

(2)在直驅(qū)風(fēng)電機組出力方面，斬波電路和超級電容系統(tǒng)均可以控制有功功率輸出，提供感性無功電流以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，斬波電路網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率始終在額定功率以下，超級電容系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率最大約3 MW;

(3)在機組故障穿越結(jié)束后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時，超級電容能加速使并網(wǎng)永磁風(fēng)機系統(tǒng)恢復(fù)，且超調(diào)量小，穩(wěn)定性最好。