永磁直驅風電機組低/高電壓穿越研究

刁瑞軒

摘 要：隨著風力發電在電網穿透率的不斷增加，風電機組的安全穩定運行對電網的影響已不容忽視。近期由于并網風電機組不具備低電壓穿越能力而引發的多次大規模風電脫網事故，己影響到電網的正常運行。

關鍵詞：永磁直驅風電機組;低/高電壓穿越

采用機側變流器控制直流電壓，并根據故障期間直流電壓的變化調節發電機的電磁功率，消除直流系統兩端有功的不平衡，穩定直流電壓，但未考慮電磁功率減小造成發電機轉速提升的速度限制問題，且控制過程較為復雜。

1 概述

目前，關于風力發電系統的低/高電壓穿越研究大多針對雙饋型風電機組，需采用主動式或被動式來避免風機變流器的過電壓和過電流，雖然可以滿足并網準則對低高電壓穿越的要求，但存在以下固有問題：1）雙饋電機變為不受控的異步發電機運行后，穩定運行的轉速范圍受最大轉差率所限而變小，若變槳系統未能快速限制捕獲的機械轉矩，仍很容易導致轉速飛升。2）由于發電機的勵磁分別由變流器和電網提供，兩種狀態的切換會在低電壓穿越過程中對電網造成無功沖擊。3）即使在低電壓穿越過程中，網側變流器保持聯網，受其容量限制，提供的無功功率主要供給異步發電機建立磁場，而對系統的無功支持很弱。通過全功率變流器并網的風力發電機組，如永磁直驅同步發電機組PMSG，已被證實在穿越特性方面更具優勢。其實現風電機組的低電壓穿越的關鍵問題在于維持變流器直流環節電容電壓的穩定。而通過穩定直流電壓實現PMSG風電機組低電壓穿越的研究方案主要有：通過在直流側安裝卸荷電路消納多余的能量：在直流側安裝儲能裝置，如超級電容等，快速吞吐有功功率;并聯輔助變流器增加直流側功率的輸出通道。上述方法均需增加外部硬件電路，增加了變流器的體積及成本;并且在電網電壓跌落時，網側變流器處于限流狀態，無法對電網提供動態的無功支持;在低電壓穿越前后，網側變流器在直流電壓控制和限流控制之間的切換會造成直流電壓的波動。PMSG風電機組機側和網側變流器的傳統控制策略，采用機側變流器控制直流側電壓，而有功和無功的協調控制由網側變流器完成;并從理論上分析所提出控制方法對風力機轉速變化的影響。

2 永磁直驅風電機組低/高電壓穿越策略

1）在額定風速以上，為避免風力機超速，通常采用變槳調節限制風機輸入的氣動功率，此時按發電機的額定功率控制其輸出的有功功率可實現發電系統的恒功率輸出。因此，電網電壓正常時PMSG控制系統外環可采用有功功率的閉環控制，其調節輸出量作為發電機定子電流軸分量給定;控制系統內環則分別實現定子軸電流的閉環控制。當電網發生故障使電網側變換器輸入電壓跌落時，電網側變換器將無法完全輸出發電機產生的有功功率，多余的能量將流人直流側電容進行充電，若不采取合適的措施，直流側電容將充電至很高電壓，這將直接危及并網變流器的安全運行。因此，為避免直流鏈過電壓和電網側變換器過電流，應限制由電機側變換器傳遞到電網側變換器的有功功率。考慮到槳距角調節系統的動態響應時間通常在幾百毫秒乃至秒級，因此對于2個～10個周期左右的電網短路故障而言，采用變槳調節就很難有效限制發電機輸出的有功功率。由于發電機控制系統電流環的動態調節時間可控制在數十毫秒以內，因此在故障過程中可采用限制發電機轉矩電流的方式來限制發電機的電磁功率，從而達到限制發電機輸出有功功率的目的。實現故障清除后發電機的正常運行控制。控制系統中采用功率限幅處理環節來實現高于額定風速時發電機輸出功率的限制。

2）由于永磁直驅用雙PWM變換。器的運行容量要達到PMSG的額定容量，因此即使電網電壓正常時也應考慮穩定控制雙PWM變換器直流鏈電壓的方法。對于電網故障，當故障切除、電網側變換器輸入電壓恢復時，應采取適當措施使電網側變換器和電機側變換器的功率傳遞達到平衡，以減小電壓恢復過程中直流鏈電壓的波動。在本文的控制方案中，當電網電壓正常以及電網故障切除、電網側變換器輸入電壓恢復時，對于電網側變換器將采用協調控制方案，即利用電機側變換器的功率信息協調控制電網側變換器。當電網電壓正常時，控制開關連接端口這時將作為一個前饋補償量，與電網側變換器直流電壓PI調節器的輸出一起作為網側變換器電流內環的軸電流給定值，則當電網電壓恢復后網側變換器軸電流的給定值將會及時改變，網側變換器電流內環可以控制軸電流快速跟蹤指令電流，從而實現電網側變換器的輸出功率與電機側變換器的輸入功率保持平衡，這十分有利于電壓恢復時直流鏈電壓迅速趨于穩定，降低直流鏈電壓變化率，為電壓恢復后發電系統重新恢復正常控制奠定基礎。當電網發生短路故障時，由于電網側變換器輸入電壓減小以及網側變換器最大工作電流的限制將減小電網側變換器輸出的瞬時功率，這將造成電機側變換器有功功率。與電網側變換器輸出功率之間的功率偏差增大，這將極大地限制電網側變換器對直流鏈電壓的控制作用。針對電網故障過程中交流勵磁風電機組網側變換器的控制思想，對于永磁直驅風電機組的網側變換器，也可采用電壓跌落時網側變換器按電流內環控制的方法，即故障過程中電流給定分量設定為反映發電機輸出有功功率的前饋量，該前饋量反映了雙PWM變換器與PMSG的功率交換情況，在電壓跌落時根據發電機定子功率的變化及時調節電網側變換器的電流，可最大限度地減小直流鏈電壓的波動，有效控制直流鏈電壓在電壓跌落過程中的變化趨勢，故障過程中控制開關切換為連接端口電流給定分量設定為發電機輸出有功功率的前饋量。這樣可將直流鏈電壓的波動限制在一定范圍內，為故障過程中電機側變換器的控制提供較為穩定的直流鏈電壓支持。當電網故障切除后，控制開關又重新切換到端口，實現故障清除后網側變換器的正常運行控制，為故障后向電網提供功率支持奠定基礎。綜上所述，完整的適用于永磁直驅風電機組的低電壓穿越運行控制方案電機側變換器和電網側變換器均采用常規矢量控制方案進行控制。

3）建議。當電網三相對稱故障發生后，電機側變換器采用電流內環控制方式輸出足夠的定子控制電壓，且其峰值在電機耐壓限幅范圍之內，其動態調節發電機的電磁轉矩以及輸出有功功率均迅速減小，經電機側變換器饋入直流側電容和電網側變換器的功率減小，這就非常有利于直流側電容及網側變換器實現低電壓穿越。當電網故障切除后，電機側變換器重新采用功率、電流雙閉環的跟蹤控制模式，使發電機輸出額定有功功率，為故障后電網恢復提供支持，將直流鏈電壓的最大上升變化值限制在額定電壓的10%左右，保證其在安全運行范圍之內。當電網故障切除后，電網側變換器重新采用帶前饋的電壓、電流雙閉環控制模式穩定直流鏈電壓，使發電系統輸出額定有功功率，以幫助電網恢復正常運行。

在電網故障時采用考慮發電機功率信息的網側變換器電流閉環控制來實現直流鏈電壓穩定控制，從而有效實現發電系統的低電壓穿越運行。本文提出的控制方案也避免了增加多余硬件保護裝置，為各類電網故障下永磁直驅風電機組的低電壓穿越運行提供了一種可選的解決思路。

參考文獻

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