基于儲(chǔ)能型DVR雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)研究

葉盛峰，王維慶，王海云

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047)

基于儲(chǔ)能型DVR雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)研究

葉盛峰1，2，王維慶1，2，王海云1，2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047)

在通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)概念的理解及以往出現(xiàn)因高電壓而導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故的研究分析的前提下，提出了一種在等效超級(jí)大電容(Super-capacitor,SC)儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上配合動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(DVR)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越的方案。在電網(wǎng)電壓驟升的情況下，基于儲(chǔ)能型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器系統(tǒng)能對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓進(jìn)行完全補(bǔ)償，使得風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓始終維持在正常運(yùn)行水平而持續(xù)工作不脫網(wǎng)，同時(shí)系統(tǒng)輸出有功功率以確保電網(wǎng)吸收的有功功率和DFIG輸出的有功功率間的平衡。在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建仿真模型并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明所提出基于儲(chǔ)能型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)方案的具有可行性。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；電壓驟升；高電壓穿越技術(shù)；高電壓并網(wǎng)準(zhǔn)則；超級(jí)大電容；動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器

0 引 言

隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)滲透率的不斷增加，風(fēng)電機(jī)組與系統(tǒng)的和諧穩(wěn)定運(yùn)行已成為業(yè)內(nèi)專家人士不斷追求的目標(biāo)。然而，風(fēng)電機(jī)組因電網(wǎng)電壓驟升而脫網(wǎng)的問(wèn)題也日益突出，例如2011年西部電網(wǎng)甘肅河西地區(qū)相繼發(fā)生“2.24”、“4.3”、“4.17”、“4.25”風(fēng)電脫網(wǎng)重大事故。電網(wǎng)電壓驟升故障會(huì)造成雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生定子磁鏈的暫態(tài)直流分量，甚至引起比電網(wǎng)電壓跌落更強(qiáng)的雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊。高電壓脫網(wǎng)問(wèn)題一定程度上暴露出我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)電壓保護(hù)定值不規(guī)范的問(wèn)題，不同風(fēng)機(jī)廠家機(jī)組的過(guò)電壓保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)間不統(tǒng)一。相比于國(guó)外高電壓并網(wǎng)規(guī)則，我國(guó)對(duì)風(fēng)電機(jī)組高電壓故障穿越能力還沒(méi)有成文明確規(guī)定，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠家金風(fēng)科技在2012年成功的通過(guò)由冀北電力科學(xué)研究院(“冀北電科院”)權(quán)威驗(yàn)證的高電壓穿越測(cè)試，以2.5 MW直驅(qū)機(jī)組在2 500 kW功率工況下，網(wǎng)側(cè)發(fā)生兩相20%低電壓，一相130%高電壓，持續(xù)625 ms運(yùn)行未脫網(wǎng)，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)通過(guò)該測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組[1]。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組直接掛網(wǎng)連接，在變流器直流側(cè)增加DC chopper 電路，以抑制電網(wǎng)電壓驟升可能導(dǎo)致的網(wǎng)側(cè)變流器能量逆向流動(dòng)而引起變流器直流側(cè)電壓上升[2]。通過(guò)比較研究文獻(xiàn)[3～5]在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)采用靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)和動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(DVR)方案的效果，通過(guò)DVR來(lái)補(bǔ)償正常運(yùn)行與電網(wǎng)電壓驟升情況下的電壓差值，達(dá)到維持風(fēng)電機(jī)組發(fā)的機(jī)端電壓不變；而采用 StatCom 方案時(shí)，則通過(guò)控制注入電網(wǎng)的無(wú)功電流迫使電網(wǎng)電壓下降。文獻(xiàn)[6]提出以合理優(yōu)化GSC、RSC的有功、無(wú)功電流給定值，通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功控制達(dá)到高電壓穿越。文獻(xiàn)[7]對(duì)電網(wǎng)電壓驟升過(guò)程中雙饋發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)進(jìn)行分析，將基于虛擬電阻的有源阻尼控制引入雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制中，同時(shí)還提出了基于虛擬阻抗的改進(jìn)控制策略。

圖1 基于儲(chǔ)能型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

本文針對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)，提出了一種在等效超級(jí)大電容器(SC)儲(chǔ)能配合動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱SC-DVR)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越。在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，通過(guò)SC-DVR系統(tǒng)對(duì)DFIG的機(jī)端電壓進(jìn)行完全補(bǔ)償，從而使機(jī)組機(jī)端電壓始終維持在正常運(yùn)行水平，同時(shí)系統(tǒng)輸出/吸收有功功率以確保電網(wǎng)吸收的有功功率和DFIG輸出的有功功率間平衡。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組與系統(tǒng)的比例協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化分配系統(tǒng)與風(fēng)力機(jī)各自合理出力，同時(shí)將部分風(fēng)力機(jī)捕捉到的最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能以降低SC-DVR系統(tǒng)容量和功率。在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型并進(jìn)行了仿真。

1 高電壓穿越及其并網(wǎng)要求

相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)(LVRT)的定義，研究人員提出了高電壓穿越技術(shù)的概念，即并網(wǎng)點(diǎn)電壓在一定的升高范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組/分電場(chǎng)能夠保持不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則不斷完善，具有高電壓穿越能力也將逐步成為風(fēng)電場(chǎng)必然要求。澳大利亞率先制定了真正意義上的風(fēng)電高電壓穿越并網(wǎng)準(zhǔn)則[8]。國(guó)家電網(wǎng)公司制定的最新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1878—2013《風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功配置與電壓控制技術(shù)規(guī)定》中，提出風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

表1 高電壓技術(shù)指標(biāo)

并網(wǎng)點(diǎn)工頻電壓值(p.u.)運(yùn)行時(shí)間UT>1.20退出運(yùn)行1.15

2 SC-DVR高電壓穿越技術(shù)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)機(jī)端與并網(wǎng)點(diǎn)之間加設(shè)SC-DVR系統(tǒng)，SC-DVR由等效超級(jí)大電容(SC)、雙向DC/DC變換器、電壓原源型變流器(VSC)、LC濾波器、串聯(lián)變壓器和控制系統(tǒng)組成。

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)SC-DVR維持DFIG及電網(wǎng)之間平衡所需的有功功率PSD可以表示為

PSD=Pgen-pgrid

(1)

Pgrid=VgPgen

(2)

式中，Pgen為DFIG機(jī)端輸出的有功功率，Pgrid為電網(wǎng)吸收的有功功率，Vg為故障區(qū)間并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序分量(標(biāo)幺值)。

從式(1)和(2)中可以看出，電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間所需的PSD主要取決于DFIG風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率Pgen和電網(wǎng)故障電壓水平。但在這種情況要完全補(bǔ)償所需的SC-DVR容量和功率需求很大，不是夠經(jīng)濟(jì)，但由于風(fēng)電機(jī)組具有很強(qiáng)的慣性，因而在電網(wǎng)電壓故障時(shí)，可以通過(guò)減少DFIG的輸出功率并將風(fēng)力機(jī)捕捉到的最大風(fēng)能部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而減小SC-DVR在故障下的所需的容量。同時(shí)由于輸出的功率瞬間減少，而輸入的機(jī)械功率基本保持不變，DFIG輸入與輸出的不平衡功率會(huì)使轉(zhuǎn)子加速，從而使得風(fēng)力機(jī)偏離最大功率運(yùn)行。在忽略轉(zhuǎn)子的損耗下，轉(zhuǎn)子的加速過(guò)程可以表示為

(3)

式中，Pm為當(dāng)前風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)能捕捉到最大的風(fēng)能，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，w為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。

從式(3)中可知轉(zhuǎn)子的調(diào)節(jié)功率是當(dāng)前最大風(fēng)能與機(jī)組所發(fā)出的的有功功率差。當(dāng)DFIG的轉(zhuǎn)子最大慣性調(diào)節(jié)功率Ptmax和SC-DVR的最大功率PSDmax確定后，在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)根據(jù)Ptmax和PSDmax最大功率比例關(guān)系k協(xié)調(diào)控制策略(見(jiàn)圖2)分配兩者各自出力情況。

圖2 比例協(xié)調(diào)控制策略

圖2中，V0，Vx，VL是一組平行線，各自代表了不同故障時(shí)的電壓水平。縱軸與直線的交點(diǎn)表示電壓升高區(qū)間風(fēng)電機(jī)組有功功率的調(diào)節(jié)值，其中交點(diǎn)Ptmax表示最大調(diào)節(jié)值。橫軸與直線的交點(diǎn)表示電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間SC-DVR輸出的有功功率，其中交點(diǎn)PSDmax表示其最大輸出有功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)對(duì)應(yīng)V0，此時(shí)直線與坐標(biāo)軸交于原點(diǎn)表明風(fēng)電機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)電機(jī)組不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，SC-DVR也不需要輸出有功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高至VL，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到最大調(diào)節(jié)值Ptmax，SC-DVR輸出有功功率也達(dá)到最大值PSDmax。當(dāng)電網(wǎng)電壓升到Vx，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)值介于0到Ptmax，SC-DVR的輸出有功功率介于0到PSDmax之間。通過(guò)比例協(xié)調(diào)控制策略可知，電壓驟升區(qū)間SC-DVR所需功率PSD和風(fēng)機(jī)慣性轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)功率Pt及比例協(xié)調(diào)控制系數(shù)k之間的關(guān)系可表示為

PSD=|1-Vg|(Pm-Pt)

(4)

Pt=kPSD

(5)

式中，Pm為當(dāng)前風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)能捕捉到的最大風(fēng)能功率。

通過(guò)式(4)、(5)可得出在采用比例協(xié)調(diào)控制后的SC-DVR和DFIG在電壓驟升區(qū)間的各自有功功率

(6)

(7)

當(dāng)考慮到協(xié)調(diào)控制策略(圖3)時(shí)，可能存在SC-DVR本身的能量?jī)?chǔ)存小于比例協(xié)調(diào)確定的輸出有功功率，此時(shí)表明其不能滿足當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間功率平衡所需能量，則可適當(dāng)提高風(fēng)電機(jī)組的最大慣性調(diào)節(jié)功率Ptmax來(lái)實(shí)現(xiàn)能量平衡要求，反之，若SC-DVR自身能量足夠維持功率平衡時(shí)仍按比例協(xié)調(diào)控制確定風(fēng)電機(jī)組功率輸出。同時(shí)在等效電容控制方面可借鑒文獻(xiàn)[9]控制策略。

圖3 電壓升高儲(chǔ)能型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器協(xié)調(diào)控制策略

綜上所述知，電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間雙饋風(fēng)電機(jī)組所輸出的有功功率可表示為

(8)

(9)

式中，s為轉(zhuǎn)差率。

3 仿真與結(jié)果分析

本文在MALTAB/Simusink平臺(tái)上搭建圖1仿真模型。所用仿真參數(shù)：風(fēng)速為v=12 m/s，DFIG額定功率為P額定=1.5 MW，定子額定電壓為VS=690 V，定轉(zhuǎn)子匝數(shù)比為n=0.29，定子電阻為Rs=0.023(p.u.)，定子漏感為L(zhǎng)s=0.181(p.u.)，轉(zhuǎn)子電阻為Rr=0.0162(p.u.)，轉(zhuǎn)子漏感為L(zhǎng)r=0.161(p.u.)，其中勵(lì)磁電感為L(zhǎng)=2.8(p.u.)。SC等效電容CSC=13 F，等效電容電壓最大值Vscmax=650 V，最小值Vscmin=430 V，初始電壓為V0=630 V。濾波器參數(shù)為，Lf=1.5 mH、Cf=44.2uf。在此參數(shù)下對(duì)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越進(jìn)行了仿真。

仿真工況：0.5 s時(shí)電網(wǎng)電壓升高至1.3(p.u.)并持續(xù)2 s，在0.5 s時(shí)SC-DVR系統(tǒng)響應(yīng)，仿真如圖4所示。從圖4可以看出通過(guò)SC-DVR對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端進(jìn)行完全補(bǔ)償使得端口電壓基本上保持在正常運(yùn)行水平不變。當(dāng)電壓升高時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率為0.5左右，而SC-DVR吸收的有功功率為-0.33，這是表明了在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出功率并流向電網(wǎng)，但補(bǔ)償功率仍為負(fù)值，表明補(bǔ)償器也在向電網(wǎng)輸出功率。電網(wǎng)電壓升高區(qū)間SC電壓由630 V開始降低，并持續(xù)到2.5 s電壓不在降低，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組也恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖4 高電壓穿越仿真波形

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)中等效電容SC主要是在電壓故障期間維持DVR直流側(cè)電壓的恒定，但其能量管理要做到不過(guò)充也不過(guò)放。同時(shí)，通過(guò)協(xié)調(diào)控制策略在電壓驟升的情況下適當(dāng)減少風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，而是將風(fēng)力機(jī)捕捉到的一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，從而減小SC-DVR所需容量即可降低運(yùn)行成本。通過(guò)研究SC-DVR系統(tǒng)不僅能解決因電網(wǎng)電壓故障引起的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓驟升還能解決低電壓穿越后因無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法及時(shí)切除而導(dǎo)致了網(wǎng)側(cè)電壓驟升而使風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)故障，避免風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組“二次跳機(jī)”。

[1]董咪. 金風(fēng)科技2.5MW機(jī)組率先通過(guò)國(guó)內(nèi)高電壓穿越測(cè)試[N]. 中國(guó)工業(yè)報(bào)， 2013- 1- 22．

[2]MUYSEEN S M， TAKAHASHI R， MURATA T， et al. Low voltage ride-through capability enhancement of wind turbine generator system during network disturbance[J]. IET Renewable Power Generation， 2009， 3(1): 65- 74．

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[9]李霄， 胡長(zhǎng)生， 劉昌金， 等. 基于超級(jí)電容器電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2009， 33(9)： 86- 90．

(責(zé)任編輯高 瑜)

High Voltage Ride-through of Doubly Fed Induction Wind Generators Using Energy-based DVR

YE Shengfeng1,2, WANG Weiqing1,2, WANG Haiyun1,2

(1. College of Electric Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China;2. Engineering Research Center for Renewable Energy Generation & Grid Control, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

A high voltage ride-through scheme of Doubly Fed Induction Wind Generator (DFIG) based on super-capacitor-based Dynamic Voltage Restorer (DVR) is proposed by understanding the concept of high voltage ride-through and analyzing large-scaled off-grid events. In order to maintain generator terminal voltage at normal level, the DFIG stator voltage is fully compensated by super-capacitor-based DVR under the condition of grid voltage swells, and meanwhile, the output power of super-capacitor-based DVR system will maintain the balance of grid-absorbed power and DFIG output power. A simulation model is established in MATLAB/Simulink, and the analysis results prove the effectiveness of proposed method．

doubly fed induction wind generator; voltage swell; high voltage ride-through; high voltage grid code; super capacitor; dynamic voltage restorer

2015- 08- 01

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT1285)；博士點(diǎn)專項(xiàng)基金(20126501130001)； 自治區(qū)重大專項(xiàng)(201230115)

葉盛峰(1988—)，男，福建福安人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)機(jī)控制與繼電保護(hù)．

TM614

A

0559- 9342(2015)12- 0105- 04