直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制方法研究

劉希峰，王和先，王 軍，張艷艷，張 偉

（山東電力集團(tuán)公司聊城供電公司 山東 聊城 252000）

隨著風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展，基于永磁同步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視，且在當(dāng)今現(xiàn)有的風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量中所占比例越來(lái)越大。但大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)能否持續(xù)穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)原有電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成很大的影響。國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》即要求并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)必須具備電壓跌落下的低電壓穿越能力[1]。

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組（Direct-driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous Generator，D-PMSG）通過(guò)全功率變流器與電網(wǎng)相連，網(wǎng)側(cè)故障下全功率變流器將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)隔離，且暫態(tài)期間能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功電流的靈活輸出。目前對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)故障穿越控制方法的研究仍是國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]為實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落瞬間不脫網(wǎng)運(yùn)行，采用了網(wǎng)側(cè)變流器的STATCOM運(yùn)行模式，無(wú)功輸出的靈活控制提高了其故障穿越能力。文獻(xiàn)[3]通過(guò)直流側(cè)加裝儲(chǔ)能裝置平衡故障期間直流母線不平衡功率，提高了其暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

本文建立了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和全功率變流器數(shù)學(xué)模型，分析了直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓暫態(tài)過(guò)程，在PowerFactory / DIgSILENT中建立相應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真控制模型，對(duì)提出的變流器改進(jìn)控制方案提高風(fēng)場(chǎng)低電壓穿越能力進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)包括風(fēng)輪機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁低速同步發(fā)電機(jī)以及全功率變流器?；诳煽豂GBT背靠背全功率變流器完成發(fā)電機(jī)側(cè)到電網(wǎng)的功率傳輸，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行以及網(wǎng)側(cè)輸出的靈活功率控制。

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)建模

本文建立直驅(qū)風(fēng)機(jī)用雙質(zhì)塊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)軸系雙質(zhì)塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Dual mass structure of the drive shaft

其對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型如式（1）。

式中，Htur為風(fēng)輪機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)（s）；θk為柔性傳動(dòng)軸兩端扭轉(zhuǎn)角差（rad）；Ttur、Tgen分別為風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Tshaft為送入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩（Nm）;Dtur（常取值為0）、 分別為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)（Nm/rad）;ωtur、ωgen分別為風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（rad/s）。

由式（1）中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下發(fā)電機(jī)兩側(cè)功率保持平衡，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變。故障引起機(jī)端電壓降低，輸入輸出功率失衡，最后引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)，影響風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 全功率變流器等效建模

直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)所用雙PWM全功率變流器的直流環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)化為如下的等效電路圖：

圖2 全功率變流器直流鏈等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the full-power converter DC link

兩側(cè)變流器分別等效為兩獨(dú)立的電流源I1、I2，直流母線并聯(lián)有電壓源特性的電容器C，流過(guò)電容器電流、兩端電壓分別為Idc、Vdc。P1、P2為機(jī)側(cè)變流器交流端輸入功率和網(wǎng)側(cè)變流交流側(cè)輸出功率，P1,loss、P2,loss為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器有功損耗[4]。則直流母線電壓滿足關(guān)系式：

若變流器開(kāi)關(guān)損耗忽略不計(jì)，直流母線電壓大小取決于發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率與網(wǎng)側(cè)變流器輸送到電網(wǎng)的有功功率的差值。由此可見(jiàn)，暫態(tài)下兩側(cè)變流器功率不平衡將引起直流鏈電壓升高，危害到變流器的正常運(yùn)行。

2 低壓故障的暫態(tài)過(guò)程分析

直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組通過(guò)全功率變流器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的功率交換，全功率變流器的應(yīng)用減小了網(wǎng)側(cè)暫態(tài)故障對(duì)發(fā)電機(jī)的影響。因此，該類(lèi)型風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行以及故障下的調(diào)整能力主要取決于兩側(cè)變流器的控制策略設(shè)計(jì)。機(jī)側(cè)變流器多采用恒定子電壓定向的矢量控制策略，網(wǎng)側(cè)電壓源變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活輸出。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制下常常采用網(wǎng)側(cè)變流器的單位功率因數(shù)控制。

并網(wǎng)運(yùn)行的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電壓跌落下，網(wǎng)側(cè)變流器為維持直流母線電壓穩(wěn)定將會(huì)增大有功電流的輸出，但受限于變流器最大工作電流值限制，會(huì)使輸出電網(wǎng)的有功功率受到限制。根據(jù)直流母線電壓關(guān)系式（3），此時(shí)若仍然采用穩(wěn)態(tài)下機(jī)側(cè)變流器常規(guī)控制方式，直流母線電壓將會(huì)繼續(xù)上升（圖3）。因此，直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓故障下，會(huì)造成母線過(guò)電壓以及變流器過(guò)電流等暫態(tài)現(xiàn)象[5]。直流母線所產(chǎn)生的電壓沖擊隨之影響機(jī)側(cè)變流器正常工作，對(duì)發(fā)電機(jī)的恒定子電壓控制造成影響，進(jìn)而引起發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子各電氣、機(jī)械變量的波動(dòng)。若故障持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或電網(wǎng)跌落深度過(guò)大，直驅(qū)風(fēng)機(jī)將失去穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，被迫采取脫網(wǎng)停機(jī)保護(hù)。

圖3 常規(guī)控制下直流母線電壓波動(dòng)Fig.3 DC bus voltage fluctuations with routine controls

3 改進(jìn)控制方案設(shè)計(jì)

暫態(tài)過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，本文提出帶有LVRT保護(hù)模塊的直驅(qū)風(fēng)機(jī)的變流器改進(jìn)控制策略，試圖實(shí)現(xiàn)該類(lèi)型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越功能。

3.1 LVRT保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)LVRT保護(hù)功能模塊：通過(guò)檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落程度來(lái)判斷并控制網(wǎng)側(cè)變流器控制所需無(wú)功參考電流值iq_set和機(jī)側(cè)變流器控制所需有功參考電流值isd_set的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)功率輸出的相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而減小風(fēng)機(jī)全功率變流器兩端功率失衡。

故障期間的無(wú)功電流參考值iq_set的設(shè)定原則參考德國(guó)E.ON標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功電流占額定電流的比值應(yīng)等于2倍于電網(wǎng)電壓跌落幅度；發(fā)電機(jī)側(cè)變流器有功電流參考值依據(jù)無(wú)功電流而定，即：

3.2 改進(jìn)方案確定

如圖4所示，全功率變流器采用基于LVRT保護(hù)控制模塊的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制策略，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)有功的輸入限制以及網(wǎng)側(cè)無(wú)功輸出對(duì)電網(wǎng)的電壓支持，同時(shí)考慮了風(fēng)力機(jī)的常規(guī)變槳距控制來(lái)減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行下的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸入。

4 算例仿真分析

單臺(tái)容量為1.5 MW的永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)機(jī)組成的小型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)如圖5所示，分別經(jīng)匯流母線、集電線路并入風(fēng)電場(chǎng)變電站經(jīng)二次升壓，通過(guò)高壓輸電線路并列外部電網(wǎng)。

圖4 全功率變流器協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 Coordinated control strategy of the full-power converter

故障設(shè)定情況：t= 1.0 s時(shí)刻高壓輸電線路中間段落發(fā)生三相短路故障，引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落幅度為60%。t= 1.625 s故障切除，仿真過(guò)程忽略場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)影響[6]。根據(jù)保護(hù)模塊電流計(jì)算關(guān)系式（4），考慮到計(jì)算模塊中對(duì)電流的限幅作用，致使無(wú)功參考q軸電流分量按最大值1輸出，而有功參考d軸電流分量變?yōu)?，如圖6（a）（b）所示。

圖5 直驅(qū)永磁風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.5 Wind power grid-connected system with the D-PMSGs

圖6（a）中，機(jī)側(cè)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)的有功控制電流參考值在保護(hù)模塊的作用下，被限制在0值大小，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)有功輸出被限制在0值上下波動(dòng)。與此同時(shí)，機(jī)端輸出功率的小幅波動(dòng)會(huì)造成機(jī)端電壓的震蕩，機(jī)側(cè)恒定子電壓控制無(wú)功電流變化，維持機(jī)端電壓在穩(wěn)定范圍內(nèi)運(yùn)行。由圖6（b）得出，隨著并網(wǎng)點(diǎn)跌落深度的加大，網(wǎng)側(cè)無(wú)功輸出增加，起到電網(wǎng)電壓支撐作用。網(wǎng)側(cè)直流母線電壓外環(huán)控制有功d軸電流分量跟蹤機(jī)側(cè)輸入有功功率的變化而變化，有效地減小了直流母線電壓的波動(dòng)。

圖6 變流器控制變量仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the converter control variables

圖7 風(fēng)機(jī)暫態(tài)響應(yīng)輸出仿真波形Fig.7 Transient simulation waveforms of the wind turbine

通過(guò)上圖7中風(fēng)機(jī)輸出功率波形分析，改進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略有效地增大了低電壓故障下網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功注入水平。有功功率輸出在保證直流母線電壓穩(wěn)定的前提下小幅上下波動(dòng)，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在經(jīng)過(guò)短暫的加速后，最終恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，仿真驗(yàn)證本控制方法有效地提高了直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)低電壓故障下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行研究。在全功率變流器永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)控制策略基礎(chǔ)之上，提出了改進(jìn)下的全功率變流器的協(xié)調(diào)控制的低電壓穿越實(shí)現(xiàn)措施。在PowerFactory/DIgSILENT仿真平臺(tái)中對(duì)相應(yīng)的控制方案進(jìn)行建模，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性。

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