基于微電網的雙饋風機低電壓穿越策略研究

趙化峰，郭權利

(沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136)

基于微電網的雙饋風機低電壓穿越策略研究

趙化峰，郭權利

(沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136)

提出了一種基于微電網的風機動態無功發生策略，以提高雙饋風力發電機的低電壓穿越能力。策略包含風機網側換流器、風機機側換流器兩部分。網側換流器策略是令網側換流器工作于STATCOM模式以達到為電網進行動態無功補償的目的；機側換流器策略是以恒功率因數模式向電網提供無功功率。試驗結果表明，本策略可以在故障發生后使機端電壓由110 V左右提升至300 V左右，并抑制直流母線電壓的驟升，減小暫態過程對風機系統的危害，提高風機的低電壓穿越能力。

雙饋風力發電機；動態無功發生策略；微電網；低電壓穿越

微電網作為一種消納分布式電源的有效手段，具有著極大的發展潛力。風力發電機作為其中重要的組成部分，是否能夠實現低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)關系到整個微電網，特別是孤島運行模式下微電網的穩定。

雙饋異步風力發電機(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前變速恒頻風力發電機組的主流機型，但因為其變流器容量比較小，所以對電網電壓擾動的抵御能力也變得較弱，因此此類機型要實現低電壓穿越難度較大[1]。針對我國風電并網的LVRT要求[2]，國內學者已經對DFIG的LVRT技術進行了大量研究。研究大致分為兩個方向：一種是對現有的矢量控制策略進行改進[3]；另一種則是通過增加硬件改變電路結構來實現LVRT。改進矢量控制策略方法的優點是不用增加額外的設備投資。通過增加硬件的方式實現LVRT，其優點主要有：①在電壓跌落非常嚴重的情況下也可以實現LVRT[4]。如C. Zhan 和P. S. Flannery 等人提出使用一個額外的電網側串聯變換器來提高DFIG機組的LVRT能力的方法甚至可以實現零電壓穿越[5-7]；②可以吸收風電機組上由于電壓跌落而無法及時送出的電磁功率。如增加轉子側撬棒電路，這一做法也是目前ABB、GE等制造商普遍采用的方法。本文提出了一種基于微電網的風機動態無功發生策略，以提高雙饋風力發電機的低電壓穿越能力。

1 控制策略

1.1 概述

當系統發生電壓跌落時，網側換流器工作于STATCOM工作模式，為系統提供動態的無功支撐，機側換流器則以恒功率因數的方式工作，通過人為給定功率因數的方式從定子側向電網發出無功功率。當直流母線電容穩定后，儲能裝置工作于放電狀態，為換流器供電。

1.2 網側換流器控制策略

在傳統的矢量控制策略中，通常設定電網與網側換流器間沒有無功交換。但在故障狀態下，為了實現風機的LVRT，需要網側換流器對電網進行一定的無功補償，由于故障情況繁雜，若僅依靠人工手動調節補償量，必然影響響應速度，因此需要對傳統的矢量控制策略進行改進。由于DFIG網側換流器結構類似于STATCOM，故可在系統電壓發生跌落時，令網側換流器工作于STATCOM狀態,使其根據電網電壓動態調節無功發出量。

由網側換流器等效電路可得三相靜止坐標系下的電壓方程：

(1)

式中：uga、ugb、ugc為電網三相電壓；ua、ub、uc為網側換流器三相電壓；ia、ib、ic為網側換流器三相電流；Rg、Lg為網側換流器串聯的電阻和電感。

經派克變換得到同步旋轉坐標系下的網側換流器電壓方程：

(2)

式中：ugd、ugq為電網電壓的直軸、交軸分量；ud、uq為網側換流器電壓的直軸、交軸分量；id、iq為網側換流器電流的直軸、交軸分量；ωs為同步角速度；p為微分。

換流器直流側電流方程：

(3)

式中：udc為直流母線電壓；C為直流母線電容；idcs為網側換流器直流電流；idcr為機側換流器直流電流。

忽略換流器損耗有：

(4)

式中：m為網側換流器調制系數。

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(2)、式(5)，以及機端電壓—無功電流變換控制方程，得到網側換流器的控制方程：

(6)

式中：Kip為電流內環的比例調節增益；Kil為電流內環的積分調節增益；Kup為電壓外環的比例調節增益；Kul為電壓外環的積分調節增益；Ksp為機端電壓變換為無功電流的比例調節增益；Ksl為機端電壓變換為無功電流的積分調節增益；角標中的ref表明該量為參考值。

控制框圖如圖1所示。

圖1 改進的網側換流器矢量控制策略

1.3 機側換流器控制策略

風電機組為充分利用發電機容量多運行于單位功率因數。但目前，風電機組的利用率并不高，其中一部分容量處于閑置狀態。因此，在系統發生故障時，可利用這部分剩余容量為系統無功補償。在故障狀態下，為了起到支撐系統電壓的目的，需要風機定子向系統輸出無功，因此有必要調整風機運行時的無功功率參考值。在傳統的矢量控制策略中，需要人工給定無功功率參考值，本文則參考火電機組的運行方式，采取定功率因數的控制策略來實現定子側的無功補償。具體為風機運行時的功率因數初始值設置為0.95，之后可根據實際情況作適當修正。

異步發電機磁鏈方程：

(7)

式中：角標中的s表示定子變量；r表示轉子變量；Ψdq為磁鏈矢量在直軸和交軸上的分量；L為繞組自感；Lm為定、轉子間的互感。

取定子磁鏈矢量方向為同步坐標系的d軸，則定子電壓將落在q軸上，則雙饋風力發電機定子電壓磁鏈方程：

(8)

在同步旋轉坐標系下，機側換流器無功功率方程為

(9)

式中：Qs為定子輸出的無功功率。

將式(7)、式(8)帶入式(9)可得：

(10)

由式(10)以及功率因數—無功功率換算公式可得風機機側換流器無功功率外環控制方程：

(11)

式中：irdref為轉子直軸參考電流；KQP為無功功率外環的比例調節增益；KQI為無功功率外環的積分調節增益；Qref為風機定子發出無功功率的參考值；Qs為風機定子實際輸出的無功功率；Ps為風機定子實際輸出的有功功率。

改動后的控制策略如圖2所示。

圖2 改進的機側換流器矢量控制策略

2 仿真驗證

為了驗證本文提出的基于微電網的風機動態無功發生策略的正確性，以IEEE9節點系統和1臺1.5 MW、500 kvar的雙饋異步風力發電機為例，利用PSCAD進行仿真驗證。分別以傳統的矢量控制策略和本文提出的低電壓穿越策略對換流器進行建模。風機運行風速為10 m/s，風能利用系數為0.28，定子饒阻為0.005 4 pu，轉子繞組為0.006 07 pu。風機經變壓器接入35 kV電網，故障設定為6 s時，35 kV母線發生單相接地故障，故障時間0.1 s。

采用本文提出的風機動態無功發生策略前，直流母線電容端電壓波形如圖3所示，在故障發生至故障切除前的一段時間內，直流母線電壓急速上升。當故障切除后，直流母線電壓下降，但仍無法在短時間內恢復穩定狀態。

圖3 采用動態無功發生策略前的直流母線電容端電壓波形

采用動態無功發生策略前，風機機端電壓瞬時值波形如圖4所示。圖中機端電壓在發生故障的一瞬間急劇跌落，并在故障發生至故障切除的一段時間內繼續跌落。從圖5可以看到，在故障發生之后電壓最低可跌至約110 V。

當使用動態無功發生策略時，機端電壓瞬時值波形如圖6所示。通過和圖4比較可知，較使用此策略前，機端電壓得到了有效提升，故障切除后的電壓波動也得到了有效抑制。由圖7可知，故障后電壓最低值約為300 V。

圖4 未采用動態無功發生策略的風機機端電壓波形

圖5 未采用動態無功發生策略的風機機端電壓有效值

圖6 采用動態無功發生策略后的風機機端電壓波形

圖7 采用動態無功發生策略后的風機機端電壓有效值

3 結束語

從仿真結果可以看到，使用本文提出的基于微電網儲能裝置的風機動態無功發生策略，可以在故障發生后使風機機端電壓得到一定的提升，并有效抑制直流母線電壓的驟升，減小故障切除后直流母線電壓的波動幅度。從而起到降低定子、轉子內的過電壓、過電流以及穩定直流母線電壓的作用，保護發電機繞組和換流器。與此同時，通過在系統故障狀態下令風機向電網輸出無功功率，使機端電壓得到了一定的提升，從而使DFIG在低電壓狀態下的并網運行時間得到延長，達到可以提升DFIG低電壓穿越能力的目的。

[1] 梁紀峰，戎士洋,齊 全，等.大型風電集群無功電壓特性研究[J].東北電力技術，2015, 36(2)：35-37.

[2] 陳 雷，常加辰.應用于風電場的MMC-STATCOM控制策略研究[J].東北電力技術，2015,36(4)：1-5.

[3] 胡家兵，孫 丹，賀益康，等.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J].電力系統自動化，2006，30(8)：21-26.

[4] 操瑞發，朱 武，涂祥存，等.雙饋式風力發電系統低電壓穿越技術分析[J].電網技術，2009,33(9)：72-77.

[5] 賀益康，周 鵬.變速恒頻雙饋異步風力發電系統低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報，2009,24(9)：140-146.

[6] Xiang Dawei, Li Ran. Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2006, 21(3): 652-662.

[7] Zhan C, Barker C D. Fault ride-through capability investigation of a doubly-fed induction generator with an additional series-connected voltage source converter[C]. Proceedings of the 8th IEE International Conference on AC and DC Power Transmission, 2006: 79-84.

出版物上日期、時間、時刻的表示

1 全數字式日期表示法

①一個全數字式日期由時間元素“年、月、日”組成。

②一個全數字日期應按如下順序表示：即年、月、日。

③全數字日期只允許用阿拉伯數字表示，即“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”。如果需要，也可使用分隔符。

④時間元素的表示：年用4位數表示；月用2位數表示；日用2位數表示。

⑤1981年8月24日可表示為如下形式之一；

19810824(不用分隔符)；1981-08-24(用連字符分隔)；1981 08 24(用間隔字符分裂隔)。

2 時間、時刻的表示

①表示時間。例如：“今天植樹共用了1 h 30 min 30 s。

②表示時刻。例如：“1959年10月23日10時53分10秒。”“明天上午9 h 30 min”。

③“星期(周)、月、年”不是時間的法定計量單位，但仍可按習慣使用。

3 日期與時間的組合表示

當日期與時間的表示組合時，其時間元素應按如下順序排列：年、月、日、時、分、秒。

例如：當陽歷日期1981年8月25日與時間14時12分36秒組合時，可表示為“19810825141236”(在數據處理系統之間交換時用)；或“1981-08-25-14:12:36”(便于人們理解)。

4 a(年)、d(天)、h(小時)在敘述文中的用法

①電臺每天播放18 h。

②每隔1～2 a，舉辦1次國際學術討論會。

③3 d后，我們去北京。

需要說明的是，以上用法只是作為一種可以表述的方法提出來，目前并不著意強調其使用。

摘自《量和單位的使用原則及方法》

Research on Control Strategy to Improve Low Voltage Ride-Through Capability of Double Fed Induction Generator Based on Microgrid

ZHAO Huafeng, GUO Quanli

(School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang， Liaoning 110136，China)

A strategy of dynamic reactive power is proposed which can improve low voltage ride-through capability of double fed induction generator.The strategy includes two parts which is grid-side converter control strategy of wind turbine and rotor-side converter control strategy of wind turbine. In grid-side converter control strategy, the grid-side converter works at STATCOM mode to compensate reactive power dynamically for power system. In rotor-side converter control strategy, the rotor-side converter provides reactive power to power system with constant power factor. The results show that the strategy improves the terminal voltage of wind turbines from 110 V to 300 V and a sudden rise of DC bus voltage can be inhibited. This strategy decreases the damage of transient process to wind turbines and improves low voltage ride-through capability of double fed induction generator.

double fed induction generator; dynamic reactive power provide strategy; microgrid; low voltage ride-through

TM614

A

1004-7913(2017)02-0005-04

趙化峰(1990)，男，碩士，研究方向為智能電網、微電網控制策略、保護技術及電能質量。

2016-12-01)