基于儲能型DVR雙饋風電機組高電壓穿越技術研究

葉盛峰，王維慶，王海云

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047)

基于儲能型DVR雙饋風電機組高電壓穿越技術研究

葉盛峰1，2，王維慶1，2，王海云1，2

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047)

在通過對風電機組高電壓穿越技術概念的理解及以往出現(xiàn)因高電壓而導致大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)事故的研究分析的前提下，提出了一種在等效超級大電容(Super-capacitor,SC)儲能的基礎上配合動態(tài)電壓補償器(DVR)實現(xiàn)雙饋風電機組高電壓穿越的方案。在電網(wǎng)電壓驟升的情況下，基于儲能型動態(tài)電壓補償器系統(tǒng)能對風電機組機端電壓進行完全補償，使得風電機組機端電壓始終維持在正常運行水平而持續(xù)工作不脫網(wǎng)，同時系統(tǒng)輸出有功功率以確保電網(wǎng)吸收的有功功率和DFIG輸出的有功功率間的平衡。在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建仿真模型并進行仿真，結果表明所提出基于儲能型動態(tài)電壓補償器風電機組高電壓穿越技術方案的具有可行性。

雙饋風力發(fā)電機組；電壓驟升；高電壓穿越技術；高電壓并網(wǎng)準則；超級大電容；動態(tài)電壓補償器

0 引 言

隨著風電在電力系統(tǒng)滲透率的不斷增加，風電機組與系統(tǒng)的和諧穩(wěn)定運行已成為業(yè)內(nèi)專家人士不斷追求的目標。然而，風電機組因電網(wǎng)電壓驟升而脫網(wǎng)的問題也日益突出，例如2011年西部電網(wǎng)甘肅河西地區(qū)相繼發(fā)生“2.24”、“4.3”、“4.17”、“4.25”風電脫網(wǎng)重大事故。電網(wǎng)電壓驟升故障會造成雙饋感應發(fā)電機定子繞組中產(chǎn)生定子磁鏈的暫態(tài)直流分量，甚至引起比電網(wǎng)電壓跌落更強的雙饋發(fā)電機定、轉子電流和電磁轉矩的沖擊。高電壓脫網(wǎng)問題一定程度上暴露出我國風電場電壓保護定值不規(guī)范的問題，不同風機廠家機組的過電壓保護定值和動作時間不統(tǒng)一。相比于國外高電壓并網(wǎng)規(guī)則，我國對風電機組高電壓故障穿越能力還沒有成文明確規(guī)定，目前國內(nèi)風電廠家金風科技在2012年成功的通過由冀北電力科學研究院(“冀北電科院”)權威驗證的高電壓穿越測試，以2.5 MW直驅機組在2 500 kW功率工況下，網(wǎng)側發(fā)生兩相20%低電壓，一相130%高電壓，持續(xù)625 ms運行未脫網(wǎng)，這是國內(nèi)首臺通過該測試的風電機組[1]。

雙饋異步風力發(fā)電機定子繞組直接掛網(wǎng)連接，在變流器直流側增加DC chopper 電路，以抑制電網(wǎng)電壓驟升可能導致的網(wǎng)側變流器能量逆向流動而引起變流器直流側電壓上升[2]。通過比較研究文獻[3～5]在電網(wǎng)電壓驟升時采用靜止同步無功補償器(STATCOM)和動態(tài)電壓補償器(DVR)方案的效果，通過DVR來補償正常運行與電網(wǎng)電壓驟升情況下的電壓差值，達到維持風電機組發(fā)的機端電壓不變；而采用 StatCom 方案時，則通過控制注入電網(wǎng)的無功電流迫使電網(wǎng)電壓下降。文獻[6]提出以合理優(yōu)化GSC、RSC的有功、無功電流給定值，通過動態(tài)無功控制達到高電壓穿越。文獻[7]對電網(wǎng)電壓驟升過程中雙饋發(fā)電機的電磁暫態(tài)進行分析，將基于虛擬電阻的有源阻尼控制引入雙饋發(fā)電機轉子勵磁控制中，同時還提出了基于虛擬阻抗的改進控制策略。

圖1 基于儲能型動態(tài)補償器的DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)

本文針對雙饋感應風力發(fā)電機(DFIG)，提出了一種在等效超級大電容器(SC)儲能配合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)系統(tǒng)(以下簡稱SC-DVR)實現(xiàn)雙饋風電機組高電壓穿越。在電網(wǎng)電壓驟升時，通過SC-DVR系統(tǒng)對DFIG的機端電壓進行完全補償，從而使機組機端電壓始終維持在正常運行水平，同時系統(tǒng)輸出/吸收有功功率以確保電網(wǎng)吸收的有功功率和DFIG輸出的有功功率間平衡。通過風電機組與系統(tǒng)的比例協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化分配系統(tǒng)與風力機各自合理出力，同時將部分風力機捕捉到的最大風能轉化為轉子的動能以降低SC-DVR系統(tǒng)容量和功率。在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型并進行了仿真。

1 高電壓穿越及其并網(wǎng)要求

相對于風電機組低電壓穿越技術(LVRT)的定義，研究人員提出了高電壓穿越技術的概念，即并網(wǎng)點電壓在一定的升高范圍內(nèi)風電機組/分電場能夠保持不脫網(wǎng)連續(xù)運行。隨著風電技術的不斷成熟，風電并網(wǎng)準則不斷完善，具有高電壓穿越能力也將逐步成為風電場必然要求。澳大利亞率先制定了真正意義上的風電高電壓穿越并網(wǎng)準則[8]。國家電網(wǎng)公司制定的最新企業(yè)標準Q/GDW 1878—2013《風電場無功配置與電壓控制技術規(guī)定》中，提出風電機組高電壓穿越技術指標應滿足表1的規(guī)定。

表1 高電壓技術指標

并網(wǎng)點工頻電壓值(p.u.)運行時間UT>1.20退出運行1.15

2 SC-DVR高電壓穿越技術

2.1 系統(tǒng)結構和配置

系統(tǒng)結構如圖1所示，是在風力發(fā)電機網(wǎng)機端與并網(wǎng)點之間加設SC-DVR系統(tǒng)，SC-DVR由等效超級大電容(SC)、雙向DC/DC變換器、電壓原源型變流器(VSC)、LC濾波器、串聯(lián)變壓器和控制系統(tǒng)組成。

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

當電網(wǎng)電壓驟升時SC-DVR維持DFIG及電網(wǎng)之間平衡所需的有功功率PSD可以表示為

PSD=Pgen-pgrid

(1)

Pgrid=VgPgen

(2)

式中，Pgen為DFIG機端輸出的有功功率，Pgrid為電網(wǎng)吸收的有功功率，Vg為故障區(qū)間并網(wǎng)點電壓正序分量(標幺值)。

從式(1)和(2)中可以看出，電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間所需的PSD主要取決于DFIG風電機組輸出的有功功率Pgen和電網(wǎng)故障電壓水平。但在這種情況要完全補償所需的SC-DVR容量和功率需求很大，不是夠經(jīng)濟，但由于風電機組具有很強的慣性，因而在電網(wǎng)電壓故障時，可以通過減少DFIG的輸出功率并將風力機捕捉到的最大風能部分轉化為轉子的旋轉動能，從而減小SC-DVR在故障下的所需的容量。同時由于輸出的功率瞬間減少，而輸入的機械功率基本保持不變，DFIG輸入與輸出的不平衡功率會使轉子加速，從而使得風力機偏離最大功率運行。在忽略轉子的損耗下，轉子的加速過程可以表示為

(3)

式中，Pm為當前風速下風力機能捕捉到最大的風能，J為轉動慣量，w為轉子的旋轉角速度。

從式(3)中可知轉子的調(diào)節(jié)功率是當前最大風能與機組所發(fā)出的的有功功率差。當DFIG的轉子最大慣性調(diào)節(jié)功率Ptmax和SC-DVR的最大功率PSDmax確定后，在電網(wǎng)電壓驟升時根據(jù)Ptmax和PSDmax最大功率比例關系k協(xié)調(diào)控制策略(見圖2)分配兩者各自出力情況。

圖2 比例協(xié)調(diào)控制策略

圖2中，V0，Vx，VL是一組平行線，各自代表了不同故障時的電壓水平?？v軸與直線的交點表示電壓升高區(qū)間風電機組有功功率的調(diào)節(jié)值，其中交點Ptmax表示最大調(diào)節(jié)值。橫軸與直線的交點表示電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間SC-DVR輸出的有功功率，其中交點PSDmax表示其最大輸出有功功率。當電網(wǎng)電壓正常時對應V0，此時直線與坐標軸交于原點表明風電機組處于正常運行狀態(tài)，即風電機組不需要進行調(diào)節(jié)，SC-DVR也不需要輸出有功功率。當電網(wǎng)電壓升高至VL，此時風電機組達到最大調(diào)節(jié)值Ptmax，SC-DVR輸出有功功率也達到最大值PSDmax。當電網(wǎng)電壓升到Vx，對應的風電機組調(diào)節(jié)值介于0到Ptmax，SC-DVR的輸出有功功率介于0到PSDmax之間。通過比例協(xié)調(diào)控制策略可知，電壓驟升區(qū)間SC-DVR所需功率PSD和風機慣性轉子調(diào)節(jié)功率Pt及比例協(xié)調(diào)控制系數(shù)k之間的關系可表示為

PSD=|1-Vg|(Pm-Pt)

(4)

Pt=kPSD

(5)

式中，Pm為當前風速下風力機能捕捉到的最大風能功率。

通過式(4)、(5)可得出在采用比例協(xié)調(diào)控制后的SC-DVR和DFIG在電壓驟升區(qū)間的各自有功功率

(6)

(7)

當考慮到協(xié)調(diào)控制策略(圖3)時，可能存在SC-DVR本身的能量儲存小于比例協(xié)調(diào)確定的輸出有功功率，此時表明其不能滿足當前風電機組與電網(wǎng)之間功率平衡所需能量，則可適當提高風電機組的最大慣性調(diào)節(jié)功率Ptmax來實現(xiàn)能量平衡要求，反之，若SC-DVR自身能量足夠維持功率平衡時仍按比例協(xié)調(diào)控制確定風電機組功率輸出。同時在等效電容控制方面可借鑒文獻[9]控制策略。

圖3 電壓升高儲能型動態(tài)電壓補償器協(xié)調(diào)控制策略

綜上所述知，電網(wǎng)電壓驟升區(qū)間雙饋風電機組所輸出的有功功率可表示為

(8)

(9)

式中，s為轉差率。

3 仿真與結果分析

本文在MALTAB/Simusink平臺上搭建圖1仿真模型。所用仿真參數(shù)：風速為v=12 m/s，DFIG額定功率為P額定=1.5 MW，定子額定電壓為VS=690 V，定轉子匝數(shù)比為n=0.29，定子電阻為Rs=0.023(p.u.)，定子漏感為Ls=0.181(p.u.)，轉子電阻為Rr=0.0162(p.u.)，轉子漏感為Lr=0.161(p.u.)，其中勵磁電感為L=2.8(p.u.)。SC等效電容CSC=13 F，等效電容電壓最大值Vscmax=650 V，最小值Vscmin=430 V，初始電壓為V0=630 V。濾波器參數(shù)為，Lf=1.5 mH、Cf=44.2uf。在此參數(shù)下對風電機組高電壓穿越進行了仿真。

仿真工況：0.5 s時電網(wǎng)電壓升高至1.3(p.u.)并持續(xù)2 s，在0.5 s時SC-DVR系統(tǒng)響應，仿真如圖4所示。從圖4可以看出通過SC-DVR對風電機組機端進行完全補償使得端口電壓基本上保持在正常運行水平不變。當電壓升高時風電機組輸出的有功功率為0.5左右，而SC-DVR吸收的有功功率為-0.33，這是表明了在電網(wǎng)電壓驟升時，風電機組輸出功率并流向電網(wǎng)，但補償功率仍為負值，表明補償器也在向電網(wǎng)輸出功率。電網(wǎng)電壓升高區(qū)間SC電壓由630 V開始降低，并持續(xù)到2.5 s電壓不在降低，此時風電機組也恢復正常運行。

圖4 高電壓穿越仿真波形

4 結 語

系統(tǒng)中等效電容SC主要是在電壓故障期間維持DVR直流側電壓的恒定，但其能量管理要做到不過充也不過放。同時，通過協(xié)調(diào)控制策略在電壓驟升的情況下適當減少風電機組輸出的有功功率，而是將風力機捕捉到的一部分風能轉化為轉子動能，從而減小SC-DVR所需容量即可降低運行成本。通過研究SC-DVR系統(tǒng)不僅能解決因電網(wǎng)電壓故障引起的風電機組機端電壓驟升還能解決低電壓穿越后因無功補償裝置無法及時切除而導致了網(wǎng)側電壓驟升而使風力機脫網(wǎng)故障，避免風電場機組“二次跳機”。

[1]董咪. 金風科技2.5MW機組率先通過國內(nèi)高電壓穿越測試[N]. 中國工業(yè)報， 2013- 1- 22．

[2]MUYSEEN S M， TAKAHASHI R， MURATA T， et al. Low voltage ride-through capability enhancement of wind turbine generator system during network disturbance[J]. IET Renewable Power Generation， 2009， 3(1): 65- 74．

[3]ESKANDER M N， AMER S I. Mitigation of voltage dips and swells in grid-connected wind energy conversion systems[C]∥Proceedings of the ICROS-SICE International Joint Conference. Fukuoka， Japan， IEEE， 2009: 885- 890．

[4]NIELSEN J G， BLAABJERG F. A detailed comparison of system topologies for dynamic voltage restorers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2005， 41(5): 1272- 1280．

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[7]謝震， 張興， 楊淑英， 等. 基于虛擬阻抗的雙饋風力發(fā)電機高電壓穿越控制策略[J]. 中國電機工程學報， 2012， 32(27)： 16- 23.

[8]Australian Energy Market Commission. National electricity rules[R/OL]. [2008- 10- 21]. http： //www. aemc. gov. au.

[9]李霄， 胡長生， 劉昌金， 等. 基于超級電容器電容儲能的風電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33(9)： 86- 90．

(責任編輯高 瑜)

High Voltage Ride-through of Doubly Fed Induction Wind Generators Using Energy-based DVR

YE Shengfeng1,2, WANG Weiqing1,2, WANG Haiyun1,2

(1. College of Electric Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China;2. Engineering Research Center for Renewable Energy Generation & Grid Control, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

A high voltage ride-through scheme of Doubly Fed Induction Wind Generator (DFIG) based on super-capacitor-based Dynamic Voltage Restorer (DVR) is proposed by understanding the concept of high voltage ride-through and analyzing large-scaled off-grid events. In order to maintain generator terminal voltage at normal level, the DFIG stator voltage is fully compensated by super-capacitor-based DVR under the condition of grid voltage swells, and meanwhile, the output power of super-capacitor-based DVR system will maintain the balance of grid-absorbed power and DFIG output power. A simulation model is established in MATLAB/Simulink, and the analysis results prove the effectiveness of proposed method．

doubly fed induction wind generator; voltage swell; high voltage ride-through; high voltage grid code; super capacitor; dynamic voltage restorer

2015- 08- 01

教育部創(chuàng)新團隊(IRT1285)；博士點專項基金(20126501130001)； 自治區(qū)重大專項(201230115)

葉盛峰(1988—)，男，福建福安人，碩士研究生，研究方向為風機控制與繼電保護．

TM614

A

0559- 9342(2015)12- 0105- 04