一種永磁直驅風力發電系統不對稱電網故障下低電壓穿越方法

黃 可, 高鋒陽, 杜 強, 喬 垚

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

一種永磁直驅風力發電系統不對稱電網故障下低電壓穿越方法

黃 可, 高鋒陽, 杜 強, 喬 垚

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為了提高永磁直驅風力發電系統在不對稱電網故障下的低電壓穿越(LVRT)能力，改進了現有基于發電機轉子儲能的LVRT策略。分析了電網電壓不對稱跌落時，有功功率2倍工頻分量產生機理，討論了功率波動對發電機電磁轉矩和直流母線電壓的影響。采用模糊控制抑制功率波動對發電機電磁轉矩的影響，以及采用超級電容抑制功率波動對直流母線電壓的影響。仿真表明，該控制策略可同時抑制電磁轉矩和直流母線電壓的2倍工頻波動；仿真結果驗證了該策略的有效性。

永磁同步發電機； 不對稱故障； 低電壓穿越； 模糊控制； 超級電容

A Low Voltage Ride Through Strategy for Directly-Driven Wind

0 引 言

隨著風力發電并網的發展，風電機組的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力影響到電網的安全、穩定運行。我國的風電并網標準對風電機組的LVRT能力提出了明確要求[1]。永磁直驅風電機組無需變速齒輪箱，采用全功率變流器并網，故障率低、可靠性高且易于維護，越來越多地應用于風電場[2-3]，對其LVRT控制策略的研究已有相關成果。在直流母線側安裝制動電阻、釩電池儲能、飛輪儲能等消耗冗余能量的控制策略[4-6]，提高了系統成本，增加了系統故障率。利用發電機轉子慣性儲能的控制策略，風力機容易超速，影響到發電機機械系統和電磁系統的穩定性[7-10]。控制風力機槳距對捕獲的風能加以限制的控制策略，變槳控制響應時間長[11-12]，且變槳過程不利于系統在故障消除后快速恢復正常工況。利用發電機轉子慣性儲能，同時結合投切制動電阻和增加網側變流器輸出電流的控制策略[13]，制動電阻有效限制了發電機轉子的超速，但該控制策略對功率波動沒有有效的抑制措施。電網故障以不對稱故障居多，電壓不對稱跌落會引起有功功率的不平衡和電壓負序分量的產生，導致有功功率的2倍工頻波動[14]，進而導致直流母線電壓和發電機電磁轉矩受到擾動。模糊控制能夠實現有功功率的分配[15-16]，可用于抑制發電機有功功率和電磁轉矩的2倍工頻波動；超級電容能夠通過精準的充放電控制穩定直流側電壓[17-18]，可用于抑制直流母線電壓的2倍工頻波動。本文研究模糊控制結合超級電容的LVRT控制策略，在三相電壓不對稱跌落情況下，充分利用發電機轉子儲能，在滿足風電并網標準LVRT要求的同時，有效抑制功率波動對系統的不利影響。

1 永磁直驅風力發電系統基于轉子儲能的LVRT策略

1.1 永磁發電機數學模型

基于轉子磁場定向的定子dq軸電壓方程為

(1)

式中：usd、usq——d、q軸定子電壓；

isd、isq——d、q軸定子電流；

ψsd、ψsq——d、q軸定子磁鏈；

Rs——定子電阻；

ωr——電角速度。

定子磁鏈方程為

(2)

式中：Ld、Lq——d、q軸定子電感；

ψf——轉子磁鏈。

發電機電磁轉矩方程為

(3)

控制isd=0時，有：

(4)

通過控制igq，可以控制電磁轉矩Te。

1.2 電網側變流器數學模型

網側變流器電壓方程為

(5)

式中：ugd、ugq——變流器交流側d、q軸電壓；

ed、eq——d、q軸電網電壓；

igd、igq——d、q軸電流；

R、L——電抗器的電阻、電感；

ω——電網角頻率。

電網電壓矢量與d軸同向，ugq=0，有：

(6)

通過控制igd、igq，可以分別控制有功功率Pg和無功功率Qg。

1.3 轉子儲能的LVRT控制策略

基于轉子儲能的LVRT控制策略整體協調控制框圖如圖1所示。

LVRT工況下，igd由網側變流器允許傳輸的最大電流imax和LVRT過程中要求的最小無功電流iqmin共同決定，isq由直流母線電壓決定。系統控制目標是，在滿足風電并網標準要求的前提下，最大限度地向電網輸送有功功率，同時將多余的有功功率以機械能的方式儲存在風機葉片和發電機轉子當中。

2 電壓不對稱跌落下功率分析

圖1 發電機轉子儲能整體協調控制框圖

(7)

對于b、c相電壓有：

(8)

(9)

(10)

(11)

令P=P0+P2ω·cos(2η+2ωt)，有：

(12)

(13)

(14)

綜上可知，在電網電壓三相不對稱時，采用電網正序電壓定向矢量控制，網側有功功率包含穩定值部分P0和2倍工頻波動部分P2ω，且兩者有效值的關系如式(14)所示。

電網電壓不對稱跌落時，網側變流器輸出的有功功率含有2倍工頻波動，直流母線電壓含有2倍工頻紋波[19-20]。系統采用發電機轉子儲能的LVRT控制策略時，發電機輸出功率跟蹤電網側有功功率，輸出功率和電磁轉矩受到2倍工頻擾動。此時的LVRT控制策略，在滿足風電并網標準要求的同時，必須抑制2倍工頻波動對發電機電磁轉矩和直流母線電壓的影響。

3 抑制2倍工頻波動的控制策略

3.1 模糊控制抑制電磁轉矩波動

為充分利用發電機轉子儲能，控制發電機電磁轉矩Te跟蹤電網側功率Pg與發電機輸出功率Ps之間的差值。兩者差值包括兩個部分，電壓跌落引起的功率差值和電壓不對稱引起的2倍工頻波動。為避免電磁轉矩受到2倍工頻擾動，采用的控制策略是：當Pg與Ps之間的差值大于P2ω時，應控制Te迅速跟蹤電網側功率Pg與發電機輸出功率Ps之間的差值；當Pg與Ps之間的差值與P2ω相當時，認為兩者差值僅由2倍工頻波動P2ω引起，應控制電磁轉矩保持不變。通過修正系數K對差值信號進行修正，實現上述控制策略。如圖2所示。

圖2 模糊控制抑制電磁轉矩波動

圖3 A、B、K的隸屬度函數

模糊控制狀態表如表1所示。例如，當A的值偏大(取PS)，B的值偏大(取PS)時，認為功率差值主要是2倍工頻波動P2ω，K的值選取0，控制電磁轉矩Te保持不變。

描述控制規則的總模糊關系為

(15)

表1 模糊控制狀態表

本文采用最大隸屬度法進行解模糊計算，確定修正系數K的值。

3.2 超級電容抑制直流母線電壓波動

電磁轉矩Te跟蹤電網側功率Pg與發電機輸出功率Ps之間的差值，利用模糊控制抑制功率波動。直流母線承受全部的2倍工頻波動和部分的功率差值，前者將引起電壓波動，后者將引起電壓的泵升。在直流側并聯一個超級電容進行充放電控制來平衡電網側變流器和電機側變流器的功率不平衡，以穩定直流母線電壓。超級電容采用Buck-Boost變換器并接入直流母線，如圖4所示。

圖4 超級電容接入直流母線示意圖

當直流側電壓高于基準電壓時，變換器工作于Buck狀態，直流側對超級電容充電；反之，變換器工作于Boost狀態，超級電容放電給直流側提供功率支持[21]，如圖5所示。

4 仿真驗證

通過MATLAB/Simulink對控制策略進行了仿真驗證。設電壓跌落前發電系統處于額定工作狀態，網側電壓在0.5 s時刻發生不對稱跌落，三相電壓分別跌落至0.9、0.8和0.7。仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數

圖6 電壓不對稱跌落持續625 ms的仿真波形

仿真結果如圖6所示。如圖6(c)所示，由于電壓三相不對稱，存在負序分量，網側有功功率將產生2倍工頻波動，同時由于電壓整體跌落，有功功率平均值下降。由圖6(d)、圖6(e)可知，電壓跌落時，發電機有功功率跟蹤電網側有功功率，在模糊控制的作用下，電磁轉矩迅速調整并不受2倍工頻波動的影響，隨著發電機轉子轉速的穩步上升，電磁轉矩有下降的趨勢。圖6(f)中，由于超級電容的充放電控制跟蹤直流母線電壓與基準電壓的差值，直流母線電壓存在波動，但除電壓突變瞬間外波動很小，約為50 V，可以認為有效地抑制了直流母線電壓的2倍工頻波動。圖6(g)所示為超級電容充放電過程中吸收的有功功率，可以看到超級電容幾乎承受所有的有功功率2倍工頻波動。超級電容在LVRT過程中雖然切換于充、放電狀態，但整體上是充電的，雖然絕大部分有功功率差值分配到發電機側，但是由于模糊控制的作用，仍有部分有功功率差值由超級電容承擔。

5 結 語

本文基于發電機轉子儲能的LVRT控制策略，分析了電網電壓不對稱跌落時，現有策略下有功功率2倍工頻分量產生機理，以及對發電機電磁轉矩和直流母線電壓的影響；研究了模糊控制結合超級電容的控制策略。基于MATLAB/Simulink仿真軟件得到了該控制策略的仿真結果。

(1) 電網電壓不對稱跌落時，模糊控制能夠充分利用發電機轉子儲能，同時有效地抑制電磁轉矩的波動。為抑制2倍工頻波動影響而采用的模糊控制算法，使得有部分有功功率差值由直流母線承擔，發電機轉子不必承擔全部的功率差值。

(2) 模糊控制結合超級電容的LVRT控制策略，通過發電機轉子和超級電容承擔功率差值，同時通過超級電容承擔有功功率的2倍工頻波動，直流母線電壓在超級電容充放電系統的作用下波動幅度很小，仿真結果驗證了該策略的有效性。

(3) 本文在分析網側有功功率2倍工頻分量產生機理時，為簡化計算，未考慮三相電壓頻率和相位的變化。因此，后續工作應進一步研究頻率和相位變化對有功功率波動的影響。

[1] 風電場接入電力系統技術規定:GB/T19963—2011[S].

[2] 李建林,高志剛,胡書舉,等.并聯背靠背PWM變流器在直驅型風力發電系統的應用[J].電力系統自動化,2008,32(5): 59-62.

[3] WU B, LANG Y Q, NAVID Z, et al.風力發電系統的功率變換與控制[M].衛三民,周京華,王政,等譯.北京: 機械工業出版社,2012.

[4] CONROY J F, WATSON R.Low-voltage ride-through of a full converter wind turbine with permanent magnet generator[J].IET on Renewable Power Generation, 2007, 1(3): 182-189.

[5] 王文亮,葛寶明,畢大強.儲能型直驅永磁同步風力發電控制系統[J].電力系統保護與控制,2010,38(14): 43-48.

[6] 姚駿,陳西寅,夏先鋒,等.含飛輪儲能單元的永磁直驅風電系統低電壓穿越控制策略[J].電力系統自動化,2012,36(13): 38-44.

[7] HANSEN A D, MICHAIKE G.Multi-pole permanent magnet synchronous generator wind turbines′grid support capability in uninterrupted operation during grid faults[J].IET on Renewable Power Generation, 2009, 3(3): 333-348.

[8] ALEPUZ S, CALLE A, BUSQUETS M S, et al.Use of stored energy in PMSG rotor inertia for low-voltage ride-through in back-to-back NPC converter-based wind power systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(5): 1787-1796.

[9] MALI S, KUSHARE B E.Fulfillment of low voltage ride-through requirement of D-PMSG based wind energy conversion system using generator-rotor inertia[C]∥ 2015 IEEE International Conference on Signal Processing, Informatics, Communication and Energy Systems (SPICES), 2015: 1-5.

[10] 陳浩,胡曉波,嚴干貴,等.直驅永磁風力發電機組低電壓穿越的協調控制策略[J].電網技術,2013,37(5): 1464-1470.

[11] 李建林,徐少華.直接驅動型風力發電系統低電壓穿越控制策略[J].電力自動化設備,2012,32(1): 29-33.

[12] 趙興勇.直驅永磁同步風力發電機組低電壓穿越控制策略[J].中國電力,2011,44(5): 74-77.

[13] 熊魁,郭雅麗,周峰.直驅永磁風力發電機組低電壓穿越控制研究[J].電力傳動,2015,45(6): 41-45.

[14] 杜雄,戴朋岑,李珊瑚,等.永磁同步風力發電機組的不對稱故障穿越控制策略[J].重慶大學學報,2013,36(1): 62-68.

[15] 王興貴,夏巖,馬呈霞,等.基于TS模糊控制的雙饋風力發電機低電壓穿越技術研究[J].電力系統保護與控制,2011,39(12): 7-10.

[16] 王虹富,曹軍,邱家駒,等.一種用于分布式發電系統的有功功率補償模型[J].電力系統自動化,2009,33(8): 94-98.

[17] 張超,劉廣忱,王生鐵.超級電容提高直驅永磁風力發電系統故障穿越能力的協調控制策略[J].可再生能源,2015,33(1): 49-55.

[18] 朱鑫,晁勤,袁鐵江,等.含超級電容器儲能的永磁直驅風電系統低電壓運行與控制[J].太陽能學報,2014,35(8): 1327-1335.

[19] 杜雄,李珊瑚,劉義平,等.直驅風力發電故障穿越控制方法綜述[J].電力自動化設備,2013,33(3): 129-135.

[20] 曾翔君,張宏韜,李迎,等.基于多相PMSG和三電平變流器的風電機組低電壓穿越[J].電力系統自動化,2012,36(11): 23-29.

[21] 劉冠男,張相軍.基于超級電容儲能雙向DC/DC變換器控制模型分析[J].電力電子技術,2013,47(10): 81-83.

Turbine with Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator under Asymmetric Fault

HUANGKe,GAOFengyang,DUQiang,QIAOYao

(School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to improve the low voltage ride through capability of permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine under asymmetric fault, an improved control method was proposed, which was based on storing the active power surplus in the turbine-generator mechanical system inertia.The formation mechanism of active power double frequency components under unbalanced grid voltage level was analyzed, and the influence of active power ripple on the electromagnetic torque of generator and on the voltage of DC bus was discussed.Fuzzy control was applied to suppress the influence on the electromagnetic torque of generator, and super capacitor was applied to suppress the influence on the voltage of DC bus.Simulation results showed that the control method could suppress the double frequency components of the generator electromagnetic torque and that of the DC bus voltage at the same time, verifying the control method.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); asymmetric fault; low voltage ride through (LVRT); fuzzy control; super capacitor

黃 可(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源與風力發電。 高鋒陽(1970—)，男，副教授，研究方向為大功率電源與電力系統自動化控制。

TM 315

A

1673-6540(2017)03- 0096- 06

2016 -12 -12