直驅永磁風電系統低電壓穿越控制策略

王林川,付 強,楊己正

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網大慶供電公司,黑龍江 大慶 163000)

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直驅永磁風電系統低電壓穿越控制策略

王林川1,付 強1,楊己正2

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網大慶供電公司,黑龍江 大慶 163000)

分析了基于全功率變換器的直驅式永磁同步風力發電機的低電壓穿越機理,提出了新型控制策略,即用發電機側變流器控制定子電壓和直流母線電壓,電網側變流器跟蹤最大風功率,實現輸出有功功率與無功功率的協調控制,進而在全風速范圍內實現風電機組的低電壓穿越。通過建立仿真模型及其試驗,驗證了該控制策略的正確性和有效性。

直驅式永磁同步風力發電機組;低電壓穿越;變流器控制;槳距角控制

隨著風力發電在電網所占比例的不斷增大,全功率變流器并網的直驅式永磁同步風力發電機組憑借其優秀、有效的可控性逐步受到了市場的青睞[1-2]。新公布的風電接入電網規定要求風電機組除了擁有低電壓穿越能力之外,還要求擁有對電網故障恢復期間提供必要的無功支持的能力。當前,已有很多文獻對直驅式永磁同步風力發電機組的低電壓穿越控制策略進行了研究。文獻[3]中指出直驅永磁風電機組實現低電壓穿越的關鍵問題在于維持變流器直流環節電容電壓的穩定。文獻[4-5]指出在現有的控制策略中,選用發電機側變流器跟蹤最大風功率,電網側變流器控制直流母線電壓。而且,當電網電壓下降時,將會造成發電機側變流器輸出功率與電網側變流器輸出功率的不平衡,引起直流母線處產生過電壓、過電流,損壞變流器和直流母線電容。

為了進一步提升直驅式永磁同步風力發電機組的低電壓穿越能力和對電網電壓的動態無功支持能力,本文從能量的角度深入地研究了直驅式永磁同步風電機組低電壓穿越問題并提出了解決方法,即用發電機側變流器控制直流母線電壓和發電機定子電壓,電網側變流器跟蹤最大風功率,當電網電壓跌落程度大時直接進行變槳距調節,從源頭上消除電網電壓跌落時產生的不平衡能量。

1 低電壓特性分析

本文采用的直驅式永磁同步風力發電系結構如圖1所示,風力發電機經背靠背雙PWM變流器接入電網。

在圖1中，風力發電機組捕獲的機械功率為Pm,發電機輸出的電磁功率為Ps,電網側變流器輸出的有功功率為Pg。在系統處于穩態且損耗可忽

略的情況下,有Pm=Ps=Pg,發電機轉速和直流母線電壓均可保持穩定。

圖1 直驅永磁風電系統框圖

當電網電壓跌落時,由于系統的功率振蕩和變流器的限流控制,風力發電機組電網側輸出功率Pg將不再穩定。加之全功率變流器的隔離作用,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Pg的變化而變化,最終導致直流側功率不平衡,同時直流母線電壓升高和劇烈振動將會影響風電系統的穩定運行[6-7]。因此,為了抑制直流母線電壓的振動,提高直驅式永磁同步風電機組的低電壓穿越能力,需要在直流側安裝輔助設備,以幫助消耗或者存儲不平衡能量,實現風電機組的低電壓穿越。

2 新型控制策略

本文采用的控制策略如圖2所示。

圖2 新型控制策略框圖

新型控制策略與傳統控制策略不同的是直流母線電壓和發電機定子電壓受控于發電機側變流器而非電網側變流器,這種變換十分有利于提高電網電壓故障條件下永磁直驅式風電機組的低電壓穿越能力。同時,由于全功率變流器的隔離作用,當電網電壓跌落時,發電機側變流器不會受到電網側的影響。所以,與已有的控制策略相比,采用發電機側變流器控制直流母線電壓,可以有效降低直流母線電壓在電網電壓跌落期間的升高與波動,從而有利于風電機組實現低電壓穿越。該控制策略利用風電機組慣性存儲來自電網電壓跌落引起的不平衡能量,減少了卸荷電阻作用的時間。以前的控制方法都是當轉子的轉速超過額定轉速時才進行變槳距調節,因槳距角調節速度慢,對于短時的電壓跌落起不到實質性的作用,所以本文采用當電網電壓小于0.7 p.u.時直接進行變槳距調節。此外,在新型控制策略中,電網側變流器還具備輸出有功功率和無功功率的協調控制的能力,可以在電網電壓跌落期間向電網提供必要的無功功率支持。

2.1 發電機側變流器控制

發電機側變流器控制策略如圖3、圖4所示。

圖3 發電機側變流器內環控制框圖

Fig.3 Generator-side converter inner control block

圖4 發電機側變流器外環控制框圖

Fig.4 Generator-side converter outer control block

2.2 電網側變流器控制

電網側變流器外環控制框圖如圖5所示。

圖5 電網側變流器外環控制框圖

Fig.5 Grid-side converter outer control block

電網側變流器控制方法與以往的控制方法不同主要體現在外環控制上。電網側逆變器通過判斷電網電壓來實現電網側輸出有功功率與無功功率的協調控制。當電網電壓正常時,為有功功率優先的最大風功率跟蹤控制;當電網電壓跌落時,為無功功率優先控制。同時為避免有功電流突變所引發的直流側電容充放電電流的突變,在電網側逆變器輸出的有功電流控制環節增加限流控制,從而有效抑制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。所以，國家電網公司的并網技術規則要求總裝機容量為百萬千瓦級規模及以上的風電場群,當電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落時,每個風電場在低電壓穿越過程中向電力系統注入的動態無功電流為:

Iq≥1.5×(0.9-Ug)IN, 0.2≤Ug≤0.9

式中,Ug為風電場并網點電壓標幺值;IN為風電場額定電流。

無功功率優先控制時的無功電流可由該式計算得到。

2.3 槳距角控制

槳距角控制策略如圖6所示。

圖6 槳距角控制框圖

當風速為額定風速及以上時,采用傳統的控制方法使發電機不超速運行，同時限制風力機的出力。當風速小于額定風速且電網電壓跌落程度大時,傳統的控制方法都是當轉子轉速超過額定轉速時才進行變槳距動作,考慮到變槳距動作速度較慢,起不到實質性的作用,故直接進行變槳距動作,從源頭上減小轉子所需承受的不平衡能量,而當電網電壓跌落程度小時,可以先用轉子承擔此不平衡能量,當轉子轉速超過安全轉速時,投入卸荷電阻,無需進行變槳距操作。

2.4 卸荷電阻控制

卸荷電阻的控制框圖如圖7所示。

當轉子轉速超過安全轉速時,投入卸荷電阻進一步消耗不平衡能量。為了防止通過轉速判斷不夠迅速,控制器增加了以直流側電容電壓Udc作為輔助的判斷條件,以防止直流側電壓升高過快,當Udc大于其動作閾值Udcmax,卸荷電阻投入,當Udc小于某一值后,卸荷電阻退出。通過判斷轉子轉速和電容電壓Udc來投入和切除卸荷電阻時,需設置一個滯環比較環節,以防止卸荷電阻頻繁的投切損壞設備。為了防止兩組判斷之間的交錯影響,在通過某一判斷條件投入卸荷電阻時,還要通過相同的判斷條件切除卸荷電阻。

圖7 卸荷電阻的控制框圖

3 仿真分析

搭建風電系統的仿真模型,其主要參數為:發電機額定功率1.5 MW,額定電壓690 V,極對數為36,慣性時間常數2 s;風力機葉片長度36 m,額定風速12 m/s,額定轉速17.3 r/min;變流器直流電容容量200 000 μF,直流母線電壓1200 V,變流器開關頻率2 kHz;電網額定電壓690 V,額定頻率50 Hz。

3.1 風速為額定風速時的仿真

風速為10 m/s,電壓在4 s時跌落為0.6 p.u.,持續625 ms時的仿真結果,如圖8所示。

圖8 額定風速時仿真圖

由圖8可見,當電網電壓跌落時,發電機輸出有功功率減少,直流母線處的不平衡能量由轉子承擔,當轉速超過安全轉速時,卸荷電阻投入。同時,電網側輸出無功功率增加對電網電壓恢復有一定的支撐作用。直流側電容電壓波動較小,可實現低電壓穿越。

3.2 風速小于額定風速時的仿真

風速為10 m/s,電壓跌落為0.8 p.u.時的仿真,如圖9所示;相同風速下,電壓跌落為0.5 p.u.時的仿真,如圖10所示,電壓跌落持續的時間均為625 ms。

由圖9、圖10可知,當電網電壓跌落程度低時,不平衡能量可全部由轉子承擔而無需啟動卸荷電阻;當電網電壓跌落程度較大時,槳距角變大,從源頭上減小了不平衡能量,由于轉子轉速未超過安全轉速,故卸荷電阻沒有投入。兩種情況下直流母線電容電壓波動均較小,可實現低電壓穿越。

圖9 輕度跌落時仿真圖

圖10 深度跌落時仿真圖

4 結 語

本文對直驅式永磁同步風電機組的低電壓穿越控制進行了深入研究,提出了一種新型控制策略,即用發電機側變流器控制直流母線電壓和定子電壓,電網側變流器跟蹤最大風功率并當電網電壓跌落程度大時直接進行變槳距調節。另輔以卸荷

電阻控制,減少了卸荷電阻的投入時間。將電網電壓跌落時產生的不平衡能量由發電機轉子承擔,當轉子轉速超過安全轉速時投入卸荷電阻。仿真表明,在電網電壓跌落期間,直流側電容電壓波動小,可實現低電壓穿越,驗證了本文提出控制策略的正確性和有效性。

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(責任編輯 郭金光,王瑩瑩)

LVRT control strategy for D-PMSG wind system

WANG Linchuan1, FU Qiang1, YANG Jizheng2

(1.College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. State Grid Daqing Power Supply Company, Daqing 163000, China)

According to the analysis of the mechanism of low voltage ride through of direct drive permanent magnet synchronous generator based on full power converter, a new control method was proposed. It is a method which used generator-side converter to keep stator voltage and dc bus voltage stable, and grid-side converter to achieve maximum power tracking and coordination control of active and reactive power, so as to realize low-voltage ride through within all velocity range. Finally, through the simulation model and its test, it is verified that the method is correct and effective.

D-PMSG; LVRT; converter control; pitch angle control

2014-09-08。

王林川(1955—),男,教授,研究方向為電力系統穩定與控制。

付 強(1990—),男,碩士研究生，研究方向為風力發電。

TM762

A

2095-6843(2016)01-0001-05