永磁直驅風電機組低電壓穿越研究綜述

馮子木，孫國強，滕德紅，李群，劉建坤，趙靜波

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；2.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

在風力發電發展的早期階段，受制于硬件與技術條件，陸上風電場一直是投資建設的主流方向。然而，陸上風能波動性大、陸上風電場占陸地面積大、單機容量受限等問題越來越制約其發展。相較之下，海上風電具有資源豐富、風力穩定、發電利用小時數高、不占用陸地資源、單機容量易擴展等優點，符合當前單機大容量的發展趨勢[1]。懸浮式海上平臺的出現以及海上遠距離電能傳輸解決方案的提出[2—6]，為遠海風電的發展提供了思路[7—8]。因此，海上風電場裝機容量開始呈現穩步增長的趨勢[9]。中國東南沿海的負荷集中地區，有著豐富的海上風能資源[10—13]，在未來發展海上風電是解決其用電需求的重要手段。

永磁直驅同步發電機(directly-driven permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)相較于雙饋與半直驅發電機，無需齒輪箱等機組部件，有效降低了故障率，具有更高的可靠性，且綜合成本較低。未來大規模風電場將以D-PMSG作為主要機型。為了保障電力系統的安全性與可靠性，低電壓穿越(low voltage ride-through,LVRT)是風電場上網必須達到的技術指標[14]。傳統策略使風電場在并網點電壓跌落時主動脫網，保障設備安全。但大裝機容量的風電場主動脫網勢必會導致電網系統內部潮流大幅轉移，觸發穩控系統動作，造成電力系統解列運行、大范圍停電等嚴重后果[15—16]。

雖然風電并網的LVRT問題研究較多，但大多集中于雙饋風機[17]。D-PMSG與雙饋風機在結構上存在差異[18]，故二者的LVRT策略也存在差異。文中根據D-PMSG運行及其LVRT期間的特點，從已有LVRT策略中篩選出適用于D-PMSG機組的技術手段進行綜述，評價、比較其優缺點。并對LVRT策略進行分類，總結其共性與差異，展望未來的研究方向及工程應用前景。

1 LVRT要求

傳統的D-PMSG控制策略通過機側換流器跟蹤功率指令實現最大風能跟蹤，通過網側換流器實現直流側電壓穩定調節和單位功率因數控制[19—21]。

圖1中，風力機捕獲的風能轉化為機械功率Pm；D-PMSG輸出的電磁功率為Ps；經機、網側換流器變換，通過直流線路向電網送出的有功功率為Pg[22—23]。穩態時，若忽略損耗，有Pm=Ps=Pg。當電網故障引起電網電壓Ug跌落時，電網側的功率振蕩及換流器自身的限流措施等會引起電網電流Ig變化，導致D-PMSG網側換流器輸出功率Pg不穩定[19]。由于全功率換流器的隔離作用，在電網電壓跌落過程中，Ps幾乎不變。此時Pm=Ps≠Pg，直流側功率無法平衡，并聯電容C上的直流電壓抬升并劇烈波動，影響系統穩定運行，情況嚴重時會導致風電場主動脫網[24]。

圖1 D-PMSG結構Fig.1 The structure of D-PMSG

電力相關部門對風電場LVRT提出了明確要求。風電機組在并網點電壓跌落的一定范圍內，必須在保證自身系統安全運行的前提下不脫網運行，并應能夠向電網提供無功功率，幫助電網恢復電壓[25—26]。風電場LVRT要求如圖2所示，并網點電壓跌落至額定值的20%時，風電機組不脫網連續運行625 ms。在電壓跌落2 s內，若并網點電壓能恢復到額定電壓的90%，風電場內的風電機組應能夠保持不脫網運行[27—28]。當風電場并網點處的電壓在圖2中電壓曲線上方時，電網要求風電場機組能夠不間斷并網運行。當風電場并網點處的電壓在圖2中電壓曲線下方時，風電場的機組允許從電網切出[29—30]。

圖2 風電場LVRT要求Fig.2 LVRT requirement of wind farm

目前一些風力發電發達國家已經制定了新的并網導則，定量規定了風電場的脫網條件。只有當電網電壓跌落至低于相應的新規曲線時才允許脫網，并且風電場必須具備向電網提供無功功率的能力[31—32]。現有提升LVRT能力的手段可分為：在風電場送出的直流側加裝硬件保護電路；在并網點加裝電壓調節設備；在風電場加裝儲能設備；通過改進的協調控制策略實現LVRT。

2 直流側加裝硬件保護電路

加裝硬件保護電路是最常見的提升風電場LVRT能力的技術手段，其代表是撬棒(Crowbar)電路。Crowbar電路通過在線路中構建額外通路消納不平衡功率，其應用范圍涵蓋所有涉及功率不平衡問題的場合。因此，在D-PMSG全功率換流器內，或者風電場的直流送出側，可通過加裝Crowbar電路提升風電場的LVRT能力。

2.1 常見Crowbar電路及應用

Crowbar電路通常通過斬波(Chopper)電路的形式實現。文獻[33]從應用性和經濟性方面，對Chopper電路集中安裝在并網點交流側或直流側的技術方案進行了對比。與AC Chopper方案相比，DC Chopper方案具有盈余功率與耗能精準匹配、系統波動小、恢復時間短、設備投資少、設備尺寸小、穩態損耗小等優點。裝設在風電場側的AC Chopper和直流線路上的DC Chopper接入示意如圖3所示。若接入AC Chopper，其端口直接接入風電場側換流器的出口交流母線；若接入DC Chopper,其2個端口并聯接入換流器間的直流線路。

圖3 AC Chopper和DC Chopper接入位置示意Fig.3 Schematic diagram of AC Chopper and DC Chopper insert locations

Crowbar電路通過増加額外的有功能量釋放回路，減小注入到直流母線的不平衡能量，避免直流母線過電壓。但在消耗不平衡能量的同時，切入的Crowbar硬件保護電路也屏蔽了換流器控制系統對直流電壓的控制以及直流兩側間的聯系，導致機側換流器無法有效控制風電場側的輸出功率，降低了風電機組運行穩定性。若故障時間較長，易出現Crowbar電路頻繁投切問題，直流電壓往復振蕩，有功功率在系統和換流器間來回流動，不利于系統恢復。Crowbar電路的主要器件是耗能電阻，故障期間多余的能量以熱能形式直接耗散，能量利用效率低，且對器件熱穩定性要求高。

為獲得更佳的性能，有研究嘗試對Crowbar電路結構進行改進。文獻[34]為緩解感性元件的瞬態過電壓，提出2種改進思路。一是將Chopper電路替換為半橋型電路，實現電路的軟開關；二是在換流器的每個子模塊上安裝制動電阻，實現靈活控制。前者的控制策略較為復雜，后者則不適用于已封裝完成的子模塊。

2.2 小結

Crowbar電路是最常規的LVRT技術，是換流器與風電場設備的保護裝置。受限于Crowbar電路的作用機理，其無法作為電源對系統運行施加主動影響。未來的主要研究方向是Crowbar的開關策略和阻值設計對電力系統恢復特性的影響及其與其他控制策略配合的可能性[35—36]。

3 并網點加裝電壓調節設備

加裝硬件保護電路的方式是在風電場側增加設備解決LVRT問題，而在電網側加裝附屬設備提升風電場LVRT能力的思路是將電網側的電壓大幅跌落變為風機送出端電壓的小幅跌落，進而降低對風電場側LVRT能力的要求。可采用的附屬設備主要包括動態無功補償設備、動態電壓調節器(dynamic voltage regulator,DVR)以及串聯動態制動電阻(series dynamic braking resistor,SDBR)。

3.1 應用動態無功補償裝置

動態無功補償裝置主要指靜止無功補償器(static var compensator,SVC)、靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)等響應快速的無功補償設備[37]。SVC和STATCOM可以在不同程度上提高風電場的暫態穩定裕度[38—39],并從兩方面輔助風電場實現LVRT。一是在電壓跌落時快速注入無功電流，支撐并網點電壓；二是對于不平衡故障，將不平衡跌落轉化為易于處理的三相平衡跌落。

通用SVC的接入示意如圖4所示。風電場中常采用的SVC設備是晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)，其通過控制晶閘管的觸發角度[40]，調節并網點的并聯阻抗大小，在0到滿發范圍內調節并網點無功電流。

圖4 SVC接入示意Fig.4 Schematic diagram of SVC accessed

STATCOM的接入示意如圖5所示。相比于SVC，STATCOM響應速度快，能夠承受更長的暫態過程，且補償的無功電流大小不受電壓跌落的影響[37]。由于STATCOM是基于電壓源換流器，其可通過更精確的解耦控制實現更多的控制方式組合[41]。

圖5 STATCOM接入示意Fig.5 Schematic diagram of STATCOM accessed

采用動態無功補償裝置的缺點是，裝置切入的瞬間會向電網注入較大的電流以滿足電壓恢復過程中所需的能量，而瞬間的大電流會對電力系統造成沖擊，影響電力系統的穩定性。

3.2 串聯DVR

DVR相當于串聯在電網中的動態受控電壓源，對其采用適當控制，可使輸出電壓抵消電力系統擾動對負荷電壓造成的不良影響[42—43]。

與切入STATCOM需要瞬時注入大電流相比，DVR的優勢在于只需注入較少的能量即可滿足電網電壓跌落時的LVRT要求。DVR的WINDFACT技術較為典型[44]，如圖6所示。DVR投入時，開關1開斷。在正常運行狀態，開關2均閉合，模塊3處于導通狀態，所有低壓側電力電子元件均處于熱備用狀態。當并網點電壓跌落時，模塊3進入開斷模式，低壓側受控設備接入系統，并在并網點產生額外電壓，輔助風電場重建并網點電壓。當DVR不投入系統時，開關1閉合。當風電場需要被切出系統時，開關1與開關2均開斷。

圖6 DVR的WINDFACT技術Fig.6 WINDFACT technology of DVR

3.3 應用SDBR

文獻[45—46]通過安裝SDBR使風電場在電網故障時盡量維持功率送出，SDBR接入示意如圖7所示[47—48]。SDBR的工作原理是：在電網故障時，通過將電阻元件接入電網，增加機端到接地點的過渡電阻，緩解機端的電壓跌落，并通過電阻耗能形式消納多余有功功率。文獻[49]在此基礎上提出了靈活串聯制動電阻(flexible series braking resistors,FSBR)，FSBR結構如圖8所示。相較于傳統SDBR，FSBR增加了機端電壓與LVRT過程的可控性。文獻[50]將電阻換成了電容器，在電網出口處采用電容器串聯補償的方法，緩解作用到風電場上的電壓降落。相較于電阻，電容的優勢是損耗小、電壓抬升效果明顯，但弊端是可能引起過電壓，且會影響線路保護動作。

圖7 SDBR接入示意Fig.7 Schematic diagram of SDBR accessed

圖8 FSBR結構Fig.8 Structure of FSBR

3.4 小結

電壓調節裝置可在系統發生故障時緩解并網點的電壓跌落幅度，通過保證風電場側的功率輸送能力使風電場實現LVRT。其缺陷在于，基于無功補償和電壓調節手段無法從根本上解決功率不平衡問題。在近并網點故障嚴重時，依然無法支撐電壓。今后，功能更全面、占地面積更小的設備以及更加靈活的接入與控制策略將成為主要的研究方向。

4 風電場加裝儲能設備

在風電場側或電網側加裝設備可以改善電壓跌落，但不能很好地應對LVRT過程中的功率不平衡問題。隨著儲能技術的發展，有研究提出使用充放電迅速、損耗低的新一代儲能設備替代耗能電阻吸收不平衡功率，再通過適當的方式將能量回送電網，實現LVRT的同時將損耗降至最低。

4.1 超導儲能

文獻[51]提出應用超導儲能系統(superconducting magnetic energy storage，SMES)解決風電場LVRT過程中的直流母線過電壓問題。SMES是近代新生的儲能系統，具有存儲能量密度高以及無損耗的優良特性[52]。相較于傳統直流保護系統，SMES可以大電流充放電，具備優良的可控性與高效的穩壓能力，可在故障時實現電能的快速消納。SMES接入示意如圖9所示。在故障排除后，網側換流器可根據SMES的儲能狀態與并網點的電壓情況，判斷是否執行恢復策略。恢復過程中，網側換流器以SMES的標準狀態為基準，控制向電網輸出的有功量，進而改變直流母線電壓。為了穩定直流電壓，SMES會進入相應的充放電狀態。當SMES的狀態回歸正常水平后，網側換流器轉回正常運行控制策略。全恢復流程如圖10所示[53]。

圖9 SMES接入示意Fig.9 Schematic diagram of SMES accessed

圖10 基于網側換流器的SMES電能平衡策略Fig.10 The balance strategy of SMES power based on grid side converter

4.2 超級電容

基于超級電容儲能(supercapacitor energy storage system,SCESS)的LVRT將Crowbar中的電阻器件替換成SCESS，避免器件發熱的同時，提高了系統的LVRT能力[54]。SCESS接入系統示意如圖11所示。由于目前超導條件要求高，SMES設備的投入和運營維護成本高。SCESS在降低儲能環境要求的同時，具備響應速度快、可循環使用次數多和功率密度高的優點，因此當前SCESS應用于D-PMSG風電場的可行性更高。當LVRT結束后，可與網側換流器的功率指令配合，將SCESS中的能量釋放給電網，使整個系統回到初始狀態[55]。

圖11 SCESS接入示意Fig.11 Schematic diagram of SCESS accessed

4.3 小結

儲能技術不僅是解決LVRT的重要策略，也是解決新能源消納問題的重要技術手段。在利用新一代儲能設備解決LVRT的同時，也應當利用其控制和調節層面的延展性，主動對系統施加有利影響。比如通過配合適當的控制策略，在系統正常運行時使風電場具備參與調頻的能力[56]。當前該方向的技術難題除了設備制造安裝維護外，還有在海上這類特殊應用場合下儲能狀態的維持問題，今后可考慮利用海上懸浮波浪發電等就地發電裝置解決[57]。

5 改進型控制策略

上述通過加裝硬件設備解決LVRT問題的方法均會增加實際制造、運行和維護成本。因此有研究嘗試通過改進既有設備的運行控制模式，直接或間接解決功率不平衡問題或實現與外部設備類似的功能。由于控制方式設計靈活、種類繁多，文中僅從控制對象上對該類方法進行總結。

5.1 變槳距角控制

變槳距角的控制邏輯如圖12所示。Pe為風力機實際發出的電磁功率；Pe,ord為系統電磁功率的指令值；θmax為最大可調節槳距角；θord為槳距角控制指令。在檢測到并網點電壓跌落、有功送出能力下降時，可通過改變槳距角減小風力機的風能捕獲量，從而減小D-PMSG出力，緩解直流線路過電壓。文獻[58]采用了一種獨立槳距角控制模式，在傳統槳距角控制的基礎上提高了調度靈活性，同時避免了個別執行器故障影響系統整體可靠性。

圖12 追蹤功率指令的槳距角控制邏輯Fig.12 The pitch angle control logic following the power order

然而變槳距角控制存在固有缺陷，從發現故障到變槳距角開始調節存在響應時間。變槳距角調節是通過風機上的專用電機實現，與電力系統的故障響應不在同一時間尺度，調節功率速度慢，無法達到快速響應要求，因此該方法通常只作為輔助控制手段。在應對非瞬時性故障，需要對輸出功率做長期調節時，該方法效果較好[59—60]。

5.2 機側與網側換流器控制方式調整

有研究提出可改變機、網側換流器的控制模式，充分發揮全功率換流器作用，提升風電場的LVRT能力[61—62]。該策略采用與傳統方式相反的控制模式，通過機側換流器控制直流母線電壓，通過網側換流器實現最大風功率追蹤[63—65]。該方案下機側換流器的控制策略如圖13所示。比較直流側電壓Udc與其參考值Udc,ref、交流側電壓Uac與其參考值Uac,ref后，經比例積分環節得到電流dq軸分量的指令值。經有功優先限流控制后，電流指令值與實際電流dq分量Id，Iq作比較，經比例積分調節后輸出電壓dq軸指令值Vd,ord，Vq,ord到機側換流器。

圖13 機側電壓控制策略Fig.13 Control scheme of machine side voltage

該方案下網側換流器的控制策略如圖14所示，分為有功優先控制模式和無功優先控制模式。

圖14 網側功率控制策略Fig.14 Control scheme of grid side power

圖14中,Pmppt,ord為風機采用最大功率跟蹤策略的電磁功率指令值；Qref為根據需要自定的無功功率指令;Q為實發無功功率值;Upcc,nom為正常運行時并網點的電壓;Upcc為實際并網點的電壓，用于低電壓判斷;Id,Iq為實際電流的dq軸分量;Vd,ord,Vq,ord為輸出到換流器的電壓指令。正常運行時采用有功優先控制模式，限流策略優先限制無功電流，保證有功功率的有效追蹤。在電網電壓發生跌落時，網側換流器將被調整運行在無功優先狀態，機側不平衡功率對直流母線充電，使直流母線電壓升高。檢測到電壓升高后，機側換流器及時調節發電機電磁轉矩，降低電磁功率輸出[66—67]，保證直流側的功率平衡與電壓穩定。此時發電機輸出電磁功率將小于風力機的機械功率，發電機的轉速增加，即不平衡能量轉化為轉子機械能[68]。當并網點電壓恢復后，可通過適當的控制策略釋放過剩的轉子動能，使轉子轉速恢復到正常水平。

采用轉子儲能存在弊端，當電壓跌落程度較深或持續時間較長時，發電機轉子轉速上升，可能超出安全運行范圍。當發電機轉子轉速臨界時，風電機組將無法繼續對有功輸出進行主動調節。若在正常運行中用機側換流器平衡直流電壓，風速波動可能直接導致直流電壓不穩定。因此僅建議在故障狀態下進行控制策略切換。

文獻[69]提出在LVRT期間，使網側換流器運行在STATCOM模式，實現與加裝無功補償設備相似的功能。文獻[70—71]提出利用虛擬同步機技術控制常態下的風電場機、網側換流器的運行，在并網點發生電壓跌落時，通過模擬系統慣性實現LVRT。文獻[72]提出保持電網側換流器控制策略不變，通過風電場側換流器實現風電場電網側升頻和直流側電壓降低，進而快速降低外送的電磁功率，實現LVRT。

也有研究提出，機、網側換流器可與其他控制方法協調配合，通過適當的頂層控制策略獲得更好的效果。文獻[73]以模糊控制策略作為頂層策略，實現風機側換流器與儲能裝置的協調控制，利用儲能裝置快速吸收不平衡功率，同時在可控范圍內減小機側換流器輸出的電磁功率。文獻[74]提出將換流器控制、轉子儲能控制以及Crowbar電路相聯合的LVRT模式，由網側換流器提供無功支撐網側電壓，由轉子側慣性儲能和Crowbar電路消納不平衡功率。

5.3 小結

改變控制策略的LVRT技術無需增加設備，只需改變既有設備運行模式，因此具有較大的設備成本優勢。但由于沒有實體設備支撐，其能應對的情況有限，響應特性受系統影響較大。將控制策略疊加雖可收獲良效，但增加了控制層復雜度，易影響執行效率，降低了系統的可靠性。

6 方案比較與應用

在實際應用中，一方面，目前D-PMSG主要應用在海上風電場，其LVRT策略需滿足復雜度低、可靠性高的要求；另一方面，今后采用級聯直流升壓方式的全直流風電場將會逐漸增多[75—78]，風電場內的直流線路占比大幅增加。因此應優先考慮可直接作用在直流側的LVRT策略。各方案的優缺點如表1所示。

表1 LVRT策略比較Table 1 The comparsion of LVRT schemes

總體來看，解決LVRT問題宜采用硬件策略為主、控制策略為輔的方式，并以能夠快速消納不平衡功率作為基本要求。具體如下：

(1) 可控耗能設備應作為保護方案使用。在安裝可控耗能設備的基礎上，可再配置改進型換流器應對較小的電壓跌落。

(2) 加裝電壓調節設備的目的應是服務電網為主，服務風電場為輔。完全針對風電場配置的電壓調節設備性價比低、局限性大，在未來將會逐漸減少。

(3) 在底層有硬件支撐的前提下，改進的換流器控制方法可作為一般LVRT問題的主策略。應在保證良好效果的同時，盡可能簡化控制層。

(4) 儲能技術是未來解決LVRT問題的主要手段。儲能設備不僅可以與硬件設備配合，還可以通過控制層實現靈活調度。在成本允許的前提下，宜優先采用儲能技術解決LVRT問題。

7 結語

未來D-PMSG的LVRT策略應做到調節與保護能力并重，在做到應急響應的同時，也能改善系統運行特性。收效良好的LVRT策略不只是多種方法的簡單雜糅，而應具備規范的技術體系。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目“基于可控移相器(TCPST)的柔性交流潮流運行控制技術研究”(J2019135)資助，謹此致謝！