基于壓力反饋的液壓型風機低電壓穿越控制方法

艾 超 張 亮 陳立娟 孔祥東

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

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基于壓力反饋的液壓型風機低電壓穿越控制方法

艾 超1,2張 亮2陳立娟2孔祥東1,2

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

結合液壓型風力發電機組低電壓穿越的控制要求，以實現低電壓穿越過程中的功率快速調整為控制目標，提出了一種基于壓力控制的低電壓穿越控制方法，即在原有低電壓穿越控制環的基礎上加入壓力控制環。通過AMESim和MATLAB/Simulink軟件搭建仿真平臺進行聯合仿真，并依托30 kV·A液壓型風力發電機組半物理仿真實驗平臺進行實驗驗證。結果表明，所提出的控制方法既可實現功率的快速調整，也能有效地抑制并網轉速的瞬態沖擊。

風力發電；液壓傳動；低電壓穿越；壓力控制；沖擊抑制

0 引言

隨著風電場規模與裝機功率的不斷擴大[1-2]，風力發電在電網中所占比重也逐步增加，為確保風電機組接入后電力系統運行的可靠性與穩定性[3]，低電壓穿越能力成為并網型風力發電機組必須具備的能力之一。

針對傳統機型低電壓穿越控制問題，國內外學者展開了一系列研究。針對雙饋型風力發電機組，文獻[4]提出了一種基于Crowbar并聯動態電阻的雙饋風力發電機組低電壓穿越方案，通過自適應控制策略以及動態阻值的整定方法實現低電壓穿越；文獻[5]提出了一種基于滑膜控制的低電壓穿越控制策略，通過仿真表明該控制方法與PI控制相比可有效提高系統的性能。針對直驅永磁風力發電機組，文獻[6]提出了一種對有功和無功進行協調控制的低電壓穿越控制方法，并利用風機的慣性儲能來進行低電壓穿越;文獻[7]提出了一種利用儲能系統和制動斬波器的低電壓穿越控制方法，利用儲能系統控制直流母線電壓并抑制輸出功率的波動。

液壓型風力發電機組作為一種新型機組，其傳動形式和結構與傳統型機組都有很大的區別，故對液壓型風力發電機組的低電壓穿越控制仍需要進一步研究。

針對液壓型風力發電機組低電壓穿越控制研究，ChapDrive公司提出通過節流發熱的方法實現液壓型風力發電機組低電壓穿越控制的構想，但未對其控制特性作具體研究分析[8]。文獻[9]提出了一種擺角直接控制的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法，通過控制變量馬達擺角直接補償機組輸出功率，最終實現低電壓穿越；但當電網電壓跌落深度較大時，該方法在控制過程中對機組產生的瞬態沖擊較大，易導致變量馬達轉速失穩。

為解決上述技術問題，本文提出了一種基于壓力控制的低電壓穿越控制方法，通過控制液壓系統壓力間接控制其傳輸功率，有效地抑制了低電壓穿越過程的瞬態沖擊，最終實現低電壓穿越過程中有功功率的快速調整。

1 液壓型風力發電機組簡介

1.1 工作原理簡介

液壓型風力發電機組[10-12]采用定量泵-變量馬達閉式容積液壓調速系統，其工作原理如圖1所示。

圖1 液壓型風力發電機組基本原理圖Fig.1 The schematic diagram of hydraulic wind turbine

機組在并網前，通過控制變量馬達擺角將變量馬達轉速控制在并網轉速要求范圍內，在并網之后，控制器在風速波動的情況下確保馬達轉速始終維持在(1500±6)r/min，即發電頻率在(50±0.2)Hz范圍之內，實現變轉速輸入-恒轉速輸出控制。

1.2 機組低電壓穿越基本要求

低電壓穿越[13-14](low voltage ride through，LVRT)是風電機組的一項關鍵技術，具體來說，是指風電場并網點電壓在電網故障或擾動作用下發生跌落時機組仍保持并網運行，同時為電網提供一定的無功功率支撐，支持電網電壓恢復至正常，最終“穿越”整個低電壓時間。

風力發電機組低電壓穿越要求如圖2所示,

圖2 風力發電機組低電壓穿越要求Fig.2 The requirements of LVRT

圖中p.u.表示標幺值。國家標準[15]對低電壓穿越做出了如下規定：①風電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行625 ms；②風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到標稱電壓的90%，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行。

低電壓穿越過程中，機組在宏觀上需保證電網故障后的功率平衡與穩定。電壓跌落后，發電機輸出有功功率減小，此時變量馬達瞬態液壓傳輸功率基本不變，直接導致發電機電流過載；其次，發電機產生瞬態脈振電磁轉矩，若變量馬達輸出的液壓轉矩不能做出與之相應的實時調整，則發電機轉速出現嚴重波動，易導致機組脫網事故。

為解決上述問題，從能量平衡角度，機組需要快速調整液壓傳輸功率，盡量減小發電機過載電流；在脈振電磁轉矩干擾下，從機組穩定角度，需控制變量馬達(發電機)轉速穩定于工頻轉速，保持并網運行；最后，在電壓恢復后，快速提升注入電網的有功功率。

2 數學模型分析

液壓型風力發電機組主傳動系統由定量泵-變量馬達閉式容積回路組成，具體模型如圖3所示。

圖3 數學模型原理圖Fig.3 The schematic diagram of mathematical model

圖3中，Tp為作用在液壓泵上的驅動力矩，N·m；Jp為液壓泵和負載(折算到液壓泵軸上)的總慣量，kg·m2；Bp為泵側黏性阻尼系數，N·s/m；θp為定量泵轉角，rad；θm為變量馬達轉角，rad;Dp、Dm分別為定量泵和變量馬達排量，rad/s；ph為高壓管路壓力，Pa；pl為低壓管路壓力，Pa；Bm為變量馬達側黏性阻尼系數，N·s/m；Qm為變量馬達的吸收流量，m3/rad；V0為定量泵變量馬達之間高壓管路總容積，m3；Jm為變量馬達和負載的總慣量，kg·m2；Tm為電磁轉矩，N/m；Qp為定量泵的輸出流量，m3/rad。

為實現液壓型風力發電機組低電壓穿越控制，保證發電機穩定工作于同步轉速保持并網，需要對液壓傳動系統的功率和壓力等參量進行快速調整，故需建立液壓傳動系統數學模型。

基于圖3所示的數學模型原理圖，得到變量馬達角速度數學模型[16]：

(1)

式中，ωm為變量馬達角速度，rad/s；ωm0為ωm的初始值；γ為變量馬達擺角與其最大擺角比值，γ0為變量馬達擺角基準值；Km為變量馬達排量梯度，m3/rad；Ct為總泄漏系數，m3/(s·Pa)；ph0為ph初始值；βe為有效體積彈性模量，Pa。

系統壓力對變量馬達擺角的傳遞函數為

(2)

液壓系統傳輸功率

P=Kmωmγph

(3)

同步發電機的功率平衡方程式為

P=PM+PFe+Pm

(4)

PM=P2+PCu

(5)

式中，PM為電磁功率，W；PFe為鐵心損耗功率，W；Pm為機械損耗功率，W；P2為有功功率，W；PCu為銅損耗功率，W。

對于大中容量的同步發電機，機械損耗功率Pm、鐵心損耗功率PFe和銅損耗功率PCu較小，一般可以近似認為P=P2，則變量馬達輸出的液壓系統傳輸功率即為機組輸出的有功功率。

由式(2)和式(3)可知，系統壓力既是變量馬達擺角的直接作用量，也是液壓系統傳輸功率(有功功率)的中間變量，故可通過直接控制系統壓力來實現低電壓穿越過程中有功功率快速調整的控制需求。

3 低電壓穿越控制研究

3.1 控制方法分析

結合上述液壓系統數學模型和低電壓穿越控制要求，提出了一種基于壓力控制的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法，其控制框圖見圖4。

觀察組患者術后引流管留置時間、鎮痛時間及下床時間均較對照組顯著縮短，差異有統計學意義(P＜0.05)。見表3。

圖4 低電壓穿越控制框圖Fig.4 The control block diagram of LVRT

基于壓力控制的低電壓穿越控制方法主要包括兩個控制環節，即馬達轉速控制環和系統壓力控制環。

馬達轉速控制環作為機組正常并網運行基礎，也是機組進行低電壓穿越過程中機組維持正常運行的基本控制環節，該控制環節主要確保變量馬達轉速穩定于(1500±6)r/min范圍內，使機組正常并網運行。

系統壓力控制環是機組低電壓穿越過程中的主要控制環節，主要由系統壓力參考值的給定部分、系統壓力反饋部分、比較部分和控制部分組成。系統的壓力給定值是根據監控電網電壓的狀態，通過功率調整系數和系統壓力參考值計算得出的；系統的壓力反饋、比較部分將低電壓穿越過程中系統的實際壓力值實時反饋給控制系統的比較環節，與之前計算得到的系統低電壓穿越過程中的壓力給定值進行比較，得到的偏差值經過控制器折算作用于變量馬達擺角，從而實現對液壓系統傳輸功率的快速調整。

當電網電壓大幅跌落后，迅速降低液壓系統的高壓壓力，增大定量泵的轉速，將剩余功率傳遞到葉輪，使葉輪加速旋轉達到將剩余功率儲存于葉輪的目的，這樣便使液壓系統傳遞給發電機的功率減小，即減小了作用在轉子上的剩余功率。

3.2 控制律研究

當電網電壓跌落時，系統產生一定的剩余能量ΔP，需通過投入系統壓力控制環，對液壓系統傳輸功率進行快速調整。由數學模型分析可知，系統參考壓力

(6)

式中，U為同步發電機輸出電壓，V；I為同步發電機輸出電流，A；cosφ為功率因數；γ1為變量馬達擺角補償值。

將系統參考壓力與其實際壓力進行比較，壓力偏差折算為變量馬達擺角補償值，則有

(7)

由上述流量平衡方程可知，變量馬達擺角基準值的數學模型為

(8)

式中,ωm為定量泵角速度。

以變量馬達穩速輸出1500 r/min為基準，將轉速偏差折算為變量馬達擺角實施補償控制，具體數學模型可表示為

(9)

綜上所述，機組在整個低電壓穿越過程中的具體控制思想如下：首先，通過馬達轉速控制環節抑制發電機在低電壓穿越過程中的轉速波動，保證發電機始終穩定在并網轉速，這是機組可以進行低電壓穿越的基礎；其次，在低電壓穿越過程中，通過系統壓力控制環，控制系統壓力對液壓系統傳輸功率進行調整，并在發電機勵磁系統輸出無功功率支撐電網恢復到額定電壓的90%時，按照10%額定功率每秒的速度，增加系統壓力，實現液壓系統輸出功率即發電機發電功率的快速回升，最終實現機組低電壓穿越控制。

4 仿真與實驗研究

依托燕山大學30 kV·A液壓型風力發電機組半物理模擬實驗平臺進行實驗研究，該實驗平臺主要由風力機模擬系統、液壓主傳動系統、并網控制系統和控制采集系統四部分組成。其中，風力機模擬系統中的變頻器控制變頻電機模擬風輪的轉動情況；液壓傳動系統將輸入的機械能轉化為液壓能并帶動同步發電機發電；并網控制系統中的電網模擬器模擬電網電壓跌落情況，并網柜控制機組順利并網；控制采集系統實時監控機組的運行狀態，并協調控制機組的各變量。采用AMESim和MATLAB/Simulink軟件搭建仿真平臺，對基于壓力反饋的低電壓穿越控制方法進行仿真和實驗研究。實驗平臺和仿真平臺分別見圖5和圖6，仿真參數設定見表1。

圖5 實驗平臺Fig.5 Experiment platform

圖6 低電壓穿越控制仿真平臺Fig.6 The simulation platform of LVRT

1風力機轉動慣量(kg·m2)4002定量泵排量(mL/r)633變量馬達最大排量(mL/r)404油液體積彈性模量(Pa)743×1065總泄漏系數(m3/(s·Pa))2.8×10-116三相額定功率(V·A)313007額定母線電壓(V)4008額定發電機電流(A)43.39額定勵磁電流(A)2.710額定頻率(Hz)5011發電機負載轉動慣量(kg·m2)0.45

4.1 低電壓穿越仿真分析

在1 s時刻，仿真模型模擬電網電壓三相對稱跌落，跌落深度為其額定值的80%、50%和20%，持續1s，仿真結果如圖7所示。

(a)馬達轉速 (b)系統壓力

(c)無功功率 (d)有功功率

(e)定子電壓有效值 (f)定子電流有效值1.電壓跌落20% 2.電壓跌落50% 3.電壓跌落80%圖7 低電壓穿越仿真結果Fig.7 Simulation results of LVRT

由圖7仿真曲線可知，隨著電壓跌落深度的加大，系統壓力和有功功率的跌落深度也增大，對應的同步發電機定子電壓有效值降低，定子電流有效值增大。可見隨著電網電壓跌落程度的增大，對液壓系統壓力、馬達轉速的控制要求更加苛刻。

由圖7a仿真曲線可知，當電網電壓跌落時，采用基于壓力控制的低電壓穿越控制方法，可以保證變量馬達(發電機)轉速穩定在(1500±6)r/min范圍內，確保發電機并網運行；由圖7b～圖7d仿真曲線可知，電壓跌落時控制系統壓力快速下調，使得有功功率(液壓傳輸功率)下降，同時勵磁系統控制發電機輸出無功功率支撐電網恢復，在故障切除電壓恢復后，有功功率隨著控制壓力的調整逐步回升，支撐電網恢復至故障前狀態；由圖7e和圖7f仿真曲線可知，電網電壓跌落時，直接導致勵磁同步發電機定子電壓跌落，同步發電機的定子電流上升，通過對液壓系統壓力的快速調整，使得發電機的定子電流有效值穩定在2p.u.以內，基本維持在發電機過載電流承受范圍內，實現了機組在低電壓穿越過程中對同步發電機的有效保護。

4.2 低電壓穿越實驗分析

針對提出的控制方法進行實驗研究，模擬低電壓穿越過程中液壓傳輸功率快速調整過程。模擬電壓跌落深度為50%的相應實驗結果如圖8所示。

(a)系統壓力 (b)馬達轉速

(c)液壓傳輸功率 (d)定量泵轉速

(e)電網電壓圖8 低電壓穿越實驗結果Fig.8 Experiment results

由圖8實驗結果可知，低電壓穿越過程中，通過直接控制系統壓力可以實現液壓傳輸功率即機組有功功率的快速調整，使液壓傳輸功率1 s左右降至50%左右；同時確保馬達轉速(發電機轉速)波動都在±6 r/min范圍內，保證發電機不脫網運行。

為進一步驗證基于壓力反饋的低電壓穿越方法的有效性，實驗過程中設定電網電壓跌落80%,并與直接擺角控制的低電壓穿越控制方法[9]進行比較，如圖9所示。

(a)馬達轉速

(b)機端電流圖9 實驗結果對比圖Fig.9 Comparison between two control methods

由圖9對比分析可知，當電壓跌落深度較大(超過60%)時，本文所采用的控制律與采用直接擺角控制[9]相比，基于壓力的補償控制策略有效地抑制了電壓跌落過程中變量馬達(發電機)的轉速波動，降低了機端過載電流。

5 結論

(1)基于壓力控制的低電壓穿越控制方法有效抑制了電壓跌落過程中變量馬達的轉速波動，使發電機穩定于同步轉速、維持機組的并網運行，同時實現了在較短時間內對機組瞬態有功功率的調整。

(2)得出基于壓力控制的低電壓穿越方法的動態響應參數，所提出的方法可以維持機組在低電壓穿越過程中并網運行。

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(編輯 袁興玲)

Control Method of LVRT for Hydraulic Wind Turbines Based on Pressure Feedback

AI Chao1,2ZHANG Liang2CHEN Lijuan2KONG Xiangdong1,2

1.Hebei Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control Laboratory, Qinhuangdao, Hebei, 066004 2.College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Combined with the control requirements of hydraulic wind turbine LVRT, in order to realize power rapid adjustment in the processes of LVRT, a control method of LVRT was proposed based on pressure control, namely adding pressure control loop in the original LVRT control loop. Simulations were carried out based on AMESim and MATLAB/Simulink, and control method was verified by the experiments on the 30 kV·A hydraulic wind turbine platform. Finally, it shows the proposed control method may realize the fast adjustments of power, and effectively restrain the grid-connected speed impacts, which lays a theoretical foundation for the engineering applications of the hydraulic wind turbines.

wind power generation; hydraulic transmission; low voltage ride through(LVRT); pressure control; impact suppression

2016-09-02

國家自然科學基金資助項目(51405423)；河北省高等學校科學技術研究重點項目(ZD2016114)；燕山大學研究生創新項目(2017XJSS008)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.005

艾 超，男，1982年生。燕山大學機械工程學院副教授、博士。主要研究方向為流體傳動與控制。E-mail：aichao@ysu.edu.cn。張 亮，男，1991年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。陳立娟，女,1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。孔祥東，男，1959年生。燕山大學副校長、教授、博士研究生導師。