基于儲能Crowbar的直驅風電系統低壓穿越控制策略

李自成，張智越

(武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

0 引言

風能是取之不盡、用之不竭的綠色清潔能源，在新能源發展過程中一直處于非常重要的地位[1-2]。世界各國都對風力發電系統的低壓穿越(low-voltage ride-through,LVRT)能力制定了嚴格的要求。中國亦提出了風電機組并網的相關要求及標準：當風力發電系統的并網電壓降至額定電壓的20%時，必須確保風力發電機在625 ms內不離網；當并網點的電壓在下降后2 s內恢復到額定電壓的90%時，風力發電機組可以保證不離網運行[3-4]。文獻[5]～文獻[8]提出在直流側安裝Crowbar卸荷電路、電池儲能裝置以及輔助變流器等硬件設備，以消耗或儲存多余的能量。但傳統Crowbar電路消耗電能造成資源浪費，添加硬件電路會提高系統成本以及體積。文獻[9]提出通過改變發電機電磁轉矩來降低發電機的輸出功率；但發電機轉速失穩會導致整個系統震蕩。文獻[10]提出通過可變槳距控制來降低風能輸入，從而降低風電系統功率。但變槳控制響應慢，且容易出現超調等問題。

本文在詳細理論推導以及對各種LVRT控制方法進行分析的基礎上，綜合傳統控制方法，提出了一種基于電容儲能裝置的滯環互鎖控制Crowbar電路的協調控制方案，并就這種控制策略與傳統Crowbar卸荷電路控制策略進行對比。通過 Matlab/Simulink 仿真，驗證了該控制方案正確性與穩定性。

1 永磁同步風力發電機數學模型

永磁同步風力發電機的拓撲結構如圖1所示。

圖1 永磁同步風力發電機拓撲結構圖Fig.1 Topologic structure of permanent magnet synchronous wind power generator

發電機組將風能轉換為具有變化頻率和幅度的交流電，經過整流器以及逆變器的整合之后，發出頻率和幅度都一定的交流電并入電網[1]。

1.1 機側變流器控制算法

三相靜止坐標系中交流電機的轉矩控制難以實現，因此需要矢量控制[2]。兩相旋轉坐標系中，永磁同步電動機的電流方程為[3]：

(1)

(2)

(3)

將isd=0代入式(3)，則電磁轉矩方程變為[4]：

(4)

式中：usd和usq為發電機定子輸出電壓的d軸和q軸分量；isd和isq為發電機定子輸出電流的d軸和q軸分量；Lsd和Rs為定子電感和電阻；ω為電機的轉速；p為發電機的極對數；Ψ為磁通。

為了使實際電流值跟隨給定值，以比例積分(proportion integration，PI)調節器為例，得到系統最終控制方程，如式(5)所示[5]。

(5)

式中：KP、KI分別為電流環的比例和積分系數。

因此，機側變流器控制框圖如圖2所示。

圖2 機側變流器控制框圖Fig.2 Control block diagram of generator side converter

1.2 網側變流器控制算

忽略網側變流器產生的高次諧波[6]。電網側逆變器采用電壓矢量控制原理。同步旋轉坐標軸下，電網側逆變器的數學模型為[7]：

(6)

通過控制輸入電流，可以有效控制電能流動的速度和大小[8]。輸入電流滿足以下關系式：

(7)

將d軸固定為電網電壓矢量Us能使算法簡化，得到電網電壓的d、q分量為：

(8)

式中：um為相電壓幅值。

逆變器側d、q下有功P和無功Q分別為[9]：

(9)

網側控制框圖如圖3所示。

圖3 網側變流器控制框圖Fig.3 Control block diagram of grid side converter

2 低電壓穿越的控制方法

2.1 傳統Crowbar的低電壓穿越保護方案

傳統耗能Crowbar的LVRT方案通常采用圖4的方案。耗能電阻通過功率器件連接到直流(direct-current，DC)側[10]。

圖4 傳統Crowbar卸荷電路Fig.4 Traditional Crowbar unloading circuit

系統正常工作時，保護電路未連接到電路中。系統由于故障發生電壓跌落，機側功率大于網側的輸出功率。此時，接入保護電路，Crowbar電阻直接消耗機側多余能量，抑制DC側電壓升高以實現低電壓穿越。耗能電阻R由ΔP以及udc_max來決定。不考慮系統中的非線性組件的能耗，則：

(10)

Crowbar電路的控制方程為：

(11)

ΔP=ΔUIdc_max

(12)

(13)

式中：ΔP為需消耗的功率之差；Udc_max為DC側母線電壓最大值；Idc_max為DC側母線電流最大值；C為直流母線電容。

Crowbar控制原理如圖5所示。

圖5 Crowbar控制原理圖Fig.5 Control principle of Crowbar

2.2 基于電容儲能的Crowbar的低電壓穿越

通過對傳統耗能Crowbar保護電路的分析研究，發現其在低電壓穿越中的缺點和不足。為了彌補這些缺陷，在原始保護電路中增加了電容器儲能裝置。

基子儲能裝置的Crowbar卸荷電路如圖6所示。

圖6 基于儲能裝置的Crowbar卸荷電路Fig.6 Unloading circuit of Crowbar based on energy storage device

基于儲能裝置的Crowbar控制原理如圖7所示。

圖7 基于儲能裝置的Crowbar控制原理圖Fig.7 Crowbar control principle based on energy storage device

當系統發生對稱故障跌落導致直流母線電壓過高時，電路中的V1與VD2構成降壓斬波電路，儲能裝置可吸收多余的電能；當DC總線電壓降低時，電路中的V2與VD1構成升壓斬波電路，并且能量存儲裝置釋放能量，從而對電容器充電以增加DC總線電壓。將V1和V2的觸發信號進行互鎖，以防止V1和V2同時導通造成DC側短路。增加儲能裝置的Crowbar保護電路，能量回用可以有效地保護直流母線的過壓和欠壓。

3 仿真驗證

為了驗證基于電容儲能Crowbar電路的可靠性，采用Matlab /Simulink軟件建立相應的仿真模型，包括電網電壓跌落故障設置模塊、機側整流模塊、網側逆變模塊、風力機模塊以及低電壓穿越模塊。永磁直驅風力發電機仿真參數如表1所示。

表1 永磁直驅風力發電機參數Tab.1 Simulation parameters of PM direct-drive wind power generator

電壓跌落網側單項電壓如圖8所示，接入Crowbar網側單項電流(標幺值)如圖9所示。

圖8 電壓跌落網側單項電壓Fig.8 Voltage drop grid side single phase voltage

圖9 網側單項電流(標幺值)Fig.9 Grid side single phase current(standard value)

仿真開始4.5 s后，網側A相故障電壓跌落80%，跌落持續時間為0.625 s，而系統功率恒定。因此，A相故障電流在4.5 s時增加，如圖9(a)所示。切入Crowbar卸荷電路后，有功功率的降低導致圖9(b)中電流相較圖9(a)減小。

接入卸荷模塊功率輸出(標幺值)如圖10所示。設置電網故障系統在4.5 s時發生電壓跌落，而發電機輸出功率不變，導致DC側母線電壓升高。此時切入Crowbar卸荷電路，多余的功率能夠通過卸荷電路消耗儲存，所以有功功率即在4.5～5.125 s顯著降低。該方法可有效降低直流母線側電壓，且使無功功率保持為零，大大提高了系統的安全性。

圖10 接入卸荷模塊功率輸出(標幺值)Fig.10 Power output after connecting unloading module (standard value)

接入卸荷模塊后電磁轉矩(標幺值)如圖11所示。

圖11 接入卸荷模塊后電磁轉矩(標幺值)Fig.11 Electromagnetic torque after connecting the unloading module(standard value)

在切入Crowbar電路前后，通過對比分析圖11可知，系統沒有產生大的震蕩，整套風力發電系統持續安全穩定運行。

直流母線電壓Udc變化如圖12所示。未添加Crowbar卸荷電路之前電壓震蕩劇烈，添加傳統的卸載電路后，母線電壓顯著降低。而由于傳統的Crowbar電路局限性，無法補償直流側的欠電壓。當加入儲能Crowbar卸載電路時，DC側的欠壓可得到有效補償。

圖12 直流母線側電壓變化示意圖Fig.12 Voltage change at DC bus side

綜上所述，電網電壓發生故障跌落后，利用傳統Crowbar電路時，網側變流器輸出功率不變而使輸出電流Ia變大。電流迅速達到極限值，并且網側逆變器失去對DC總線電壓Udc的控制。當Udc持續升高并超過最大值時，根據滯環判斷，投入Crowbar電阻進行卸荷，直流側多余功率通過電阻以熱能的形式直接損耗。雖然傳統的Crowbar卸荷電路對DC側過電壓有很好的限制，但對DC側欠壓不能進行有效補償。

當風電系統采用具有儲能設備的Crowbar卸荷裝置時，可有效保護直流母線上的過電壓狀態。當故障階段結束后，儲能裝置進行能量反饋，有效補償了當電網電壓恢復時引起的DC總線電壓的欠壓狀態；且由于儲能裝置能量的回饋作用，減少了能量的損耗。

由于系統電磁轉矩始終穩定未震蕩，說明Crowbar電路的切入切出對于永磁同步發電機(permanent magnet synchronous generator,PMSG)的運轉影響基本為零，驗證了此方案控制的穩定性與正確性。

4 結束語

本文在Matlab/Simulink平臺上，搭建了基于儲能Crowbar直驅式永磁同步風力發電機組LVRT控制模型，綜合分析了幾種重要的LVRT控制方案，并結合前人的理論研究，提出了基于電容儲能裝置的滯環互鎖控制投切Crowbar電路保證 PMSG 風電機組實現LVRT控制方案。該方案不僅對故障期間的風電機組直流側電壓進行有效控制，且與傳統的Crowbar卸荷控制方法相比，基于儲能的Crowbar卸荷方法在安全穩定運行的前提下，大大提高了直驅風力發電系統的低電壓穿越能力。其節能特性更加符合當今發展需求。