基于超級電容的永磁直驅風電機組低電壓穿越控制研究

朱少斌 李少綱

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

基于超級電容的永磁直驅風電機組低電壓穿越控制研究

朱少斌 李少綱

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

通過分析傳統永磁直驅風電系統的低電壓穿越能力的原理與存在問題，其中選用超級電容儲能系統與合適的控制策略，采用綜合的網側變流器控制方法，從而建立了相應的永磁直驅風電系統的仿真模型。仿真結果表明，采用超級電容儲能系統與合適的控制策略，可以改善永磁直驅風電機組的低電壓穿越能力。

永磁同步發電機；超級電容；低電壓穿越；變流器控制

隨著能源需求的不斷增大，不可再生能源的不斷減少，對可再生能源的開發已經成為各國可持續發展的重要內容。風電技術成熟，近年來得到廣泛應用。其中永磁直驅風電機組由于其結構特點，具有機械損耗小、發電效率高、低維護成本等優點，在風電機組領域的發展前景很好。機組經背靠背變流器并網運行，當并網點電壓跌落時，發電機與電網實現解耦，機組的運行特性不會受到影響，所以具有較好的低電壓穿越（low voltage ride through,LVRT）能力[1]。隨著風力發電并網容量不斷增大，風力發電系統與電網間的相互影響變大，風電并網導則要求并網風電機組必須具備一定的 LVRT能力。

文獻[2]通過在直流母線上加裝卸荷支路提高系統的LVRT能力，當并網點電壓跌落時，卸荷電阻支路導通，將直流側上的不平衡功率通過熱能的形式平抑掉，從而維持直流母線電壓穩定。該方法增加了系統的散熱設計，直流母線上的不平衡功率被浪費。文獻[3]采用蓄電池儲能系統連接在直流母線上，當并網點電壓跌落時，通過控制儲能系統將直流母線上的不平衡功率儲存起來，維持母線電壓穩定，提高了系統的LVRT能力。但所提的網側變流器控制策略，未考慮并網點電壓跌落時向電網提供無功補償，以支撐電網電壓，且蓄電池的充放電次數有限，存在使用周期短和維護成本高等問題。文獻[4]采用在電網故障時改變網側的控制方法，在并網點電壓跌落程度不高的情況下，可以幫助系統“穿越”低壓區域，但當電壓跌落程度較大時，該方法的控制效果并不理想。文獻[5]將超導儲能系統連接到直流側上，通過控制超導儲能系統來平抑直流側上的功率波動，以穩定母線電壓。但是目前超導儲能系統的投資運營成本太高且在設計系統時需加裝冷卻系統，增加了設計難度。

針對上述方法存在的不足，本文充分發揮超級電容所具有的響應速度快、可循環使用次數多和功率密度高等優點，在直流母線側并接超級電容儲能系統，提出合適的儲能系統的控制策略，與綜合的網側變換器控制方法相配合，以提高風電機組的LVRT能力。

1 基于超級電容的永磁直驅風電機組并網系統的數學模型與系統結構

1.1 系統結構

本文研究的風電并網結構如圖1所示。風力機經傳動軸帶動永磁同步發電機，再通過背靠背變流器連接到電網上，將超級電容儲能系統經雙向DC/DC變流器并聯到直流側上。

圖1 含超級電容的永磁風電機組并網圖形

圖1中，將不同的控制方法運用到儲能系統上，可以使不同的控制目標得以實現。例如通過控制超級電容儲能系統平滑并網功率，提高風電并網電能質量[6-7]；或者在并網點電壓跌落情況下，將直流側上堆積的功率存儲到超級電容中，穩定母線電壓[8-9]。電網故障主要有單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地和三相短路，而發生三相短路對電網危害最大。本文主要研究永磁直驅風電機組在電網發生三相短路狀態下的低電壓穿越，通過控制儲能系統與改進的網側控制策略協調配合，以有效的改善永磁風電機組的LVRT能力。

1.2 永磁同步電機的數學模型

此模型忽略磁飽和、磁滯損耗等影響。在電路定律基礎上，通過坐標變換，推出 d-q坐標系下直驅式永磁機的數學模型如下：

式中，usd、usq為定子電壓d-q軸分量；ωs為電角速度；Rs為定子電阻；isd、isq為定子電流d-q軸分量；ψf為轉子勵磁磁鏈；Ld、Lq為定子d-q軸同步電感。

1.3 網側變流器的數學模型

選取dq坐標系中d軸作為電網側電壓空間矢量方向，q軸超前d軸90°，則網側變流器數學模型為[10]

式中，ugd、ugq為電網三相電壓d-q軸分量；ud、uq為網側輸出三相電壓d-q軸分量；id、iq為電網三相電流d-q軸分量；L、R分別為并網濾波電感和電阻；ωg為電網電壓角頻率。

2 基于超級電容的直驅式風電機組的控制方法

2.1 電機側控制策略

本文采用的機側變流器運行控制方式如圖2所示[11]。考慮到永磁直驅發電機無需供給勵磁電流，因此可以把q軸作為定子電流的合成矢量方向，其中定子電流都被用來產生電磁轉矩，可以對定子電流q軸分量大小的控制，達到對永磁機有功功率輸出的控制目的。分析永磁直驅風電系統的工作原理可知，針對特定的風速，發電機要運行在對應的轉速下才能捕獲最大風能，所以可以由MPPT得到控制方法中的轉速外環參考值。

圖2 機側變流器控制方式

根據轉速偏差的大小，在通過PI調節后能求出q軸電流分量的參考值：

通常情況下，永磁機工作在單位功率因數狀態下，對d軸電流分量大小的控制可以實現永磁機輸出無功功率的控制，所以把d軸電流參考值設定成零。電流偏差大小經過PI調節后，再加上前饋補償就能求出調制電壓d-q參考值，即

得到調制電壓 d-q軸參考值后，再使用坐標變換采用空間矢量調制（space vector pluse width modulation,SVPWM）產生對應的觸發脈沖，就能達到控制變流器開關管的目的。

2.2 綜合的電網側控制策略

我國最新的風電并網導則規定，在電網故障時，網側變流器應該向電網提供無功功率，以維持電網的穩定，幫助風電機組實現低電壓穿越。本文采用的綜合的網側變流器控制方式如圖3所示，即電網正常運行時，控制目的是為了實現運行在單位功率因數和穩定直流母線電壓。當風電并網點電壓在額定電壓的 20%～90%范圍內，風電系統需要向電網提供無功補償來幫助電網電壓恢復，輸入電網的無功電流大小為

式中，igqref2為電網故障時輸入電網無功電流參考值；ugpu為電網故障時電網電壓標幺值；IN為風電機組額定電流。

當檢測到并網點電壓跌落時，網側變流器的控制目標變為依據電網電壓跌落的程度，輸出無功電流支撐電網電壓，以改善機組的LVRT能力。

此時，有功電流的輸出受逆變器的容量限制，其限定值為

式中，igmax為網側逆變器允許輸出的最大電流。

圖3 網側變流器控制方式

直流電壓與給定值比較后輸入PI調節器，輸出值為原有功電流的參考值igdref1，取igdref1和igdref2兩者中較小值作為網側變流器有功電流輸出的參考值。當igdref1＜igdref2時，說明電壓外環的調節還能將直流側電壓限制在允許范圍內，維持其穩定。當igdref1＞igdref2時，說明只靠電壓外環控制已無法使直流側電壓報保持在限定區域內。此時就必須把直流側儲能保護電路切入到運行狀態，將直流母線上堆積的功率存儲起來，使直流側電壓恢復到允許范圍之內。

2.3 超級電容儲能系統控制策略

當檢測到風電并網點電壓跌落時，儲能系統投入工作，其控制策略如圖4所示，采用電壓外環控制和電流內環控制的雙閉環控制。電壓外環是為了實現維持直流側電壓穩定，電流內環加快了電流指令的跟蹤，提高了儲能系統的響應速度。

圖4 儲能系統的控制方式

故障結束后，檢測超級電容的荷電狀態，將超級電容吸收（釋放）的能量釋放（吸收），恢復到初始狀態，為下次故障做準備。

3 仿真分析

根據上述模型與控制策略，在Matlab/Simulink中，搭建圖1所示帶超級電容儲能系統永磁直驅風電系統的仿真實驗模型。主要仿真參數如下：風機葉輪半徑為 34m，額定風速為 13m/s，額定功率為2MW，永磁同步電機極對數為30，發電機定子電阻為 0.0062Ω；直流母線額定電壓為 1500V，母線電容為0.06F；電網額定電壓為690V，額定頻率50Hz；濾波電感為2mH；超級電容容量為3F。

圖5所示為系統不含儲能的仿真波形。0.5s時，電網發生三相短路故障，電網電壓跌落至額定電壓的20%，持續時間為625ms。當并網點電壓跌落時，為了將機側輸入的功率輸出，網側變流器輸出電流勢必增大，而變流器的熱容量有限，所以必須限制并網電流的大小在最大值以內，本文設置的并網電流最大值為額定電流的 1.2倍。如圖 5所示，電壓降至 0.2p.u.，并網電流逐漸增大到最大值，由于電壓跌落較大，所以網側的輸出功率大大減少，這將導致多余的功率在直流母線上累積，使得母線電壓持續升高。故障切除后網側電壓恢復正常，而直流側堆積的多余功率需要釋放，使得并網電流并沒有恢復正常，輸出功率也出現超調，且直流母線電壓和并網電流的恢復速度較慢，說明該系統需要改善其低電壓穿越能力。

圖6所示為系統帶超級電容儲能系統的仿真波形，由圖6可知，當發生故障時，儲能系統迅速動作，將直流側上多余的能量儲存起來，使直流側電壓波動很快穩定下來。網側變流器的控制由單位功率因數輸出轉變為優先輸出無功功率，向電網注入無功電流，加快電網電壓的恢復速度，且在故障切除后，后網側變流器又恢復到單位功率因數輸出的運行狀態。

圖5 不含儲能的LVRT波形

圖6 含超級電容的LVRT波形

4 結論

針對傳統的永磁直驅風電系統，在分析其模型的基礎上，將超級電容儲能系統應用到直流側。通過控制儲能系統快速平抑直流母線上的功率不平衡，與綜合的網側變流器控制策略相配合，可以明顯改善永磁直驅風電系統的LVRT能力。

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Study on LVRT Control Strategy of Permanent Magnet Directly-driven Wind Turbine based on Super Capacitor

Zhu Shaobin Li Shaogang
(College of Electrical Engineering and Automation,FuzhouUniversity,Fuzhou 350108)

This paper analyzes the theory ofthe low-voltage ride throughcapability in the classical permanent magnet directly-driven wind power system and discusses the inherent problem.With super capacitor energy storage system and adaptive control strategy,acomprehensivecontrol method of line-side converter is proposed.Matlab simulation of permanent magnet directly-driven wind power systemis carried out.The results confirm thatsuper capacitor energy storage system and appropriate control strategy can improve the low-voltage ride through capability of permanent magnet directly-driven wind turbine.

permanent magnet synchronous generator;super capacitor;low voltage ride through;converter control

朱少斌（1990-），男，碩士研究生，研究方向為新能源應用與節能技術。