基于雙?？刂频挠来胖彬?qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略的研究

馬偉娜，白　愷，宋　鵬，劉京波，姚萬(wàn)業(yè)，劉漢民，朱　斯

(1.華北電力大學(xué)，河北保定　071003；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京　100045；

3.國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司，河北張家口　075000)

The Research on Control Strategy of High Voltage Ride Through for PMSG Based on Dual-modes ControlMA Weina1,BAI Kai2,SONG Peng2,LIU Jingbo2,YAO Wanye1,LIU Hanmin3,ZHU Si3

(1.North China Electric Power University, Baoding 071003,China;

2.North China Electric Power Research Institute, Beijing 100045,China;

3.Zhangjiakou Wind and Solar Power Energy Demonstration Station CO.LTD, Zhangjiakou 075000,China)

?

基于雙?？刂频挠来胖彬?qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略的研究

馬偉娜1，白愷2，宋鵬2，劉京波2，姚萬(wàn)業(yè)1，劉漢民3，朱斯3

(1.華北電力大學(xué)，河北保定071003；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045；

3.國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司，河北張家口075000)

The Research on Control Strategy of High Voltage Ride Through for PMSG Based on Dual-modes ControlMA Weina1,BAI Kai2,SONG Peng2,LIU Jingbo2,YAO Wanye1,LIU Hanmin3,ZHU Si3

(1.North China Electric Power University, Baoding 071003,China;

2.North China Electric Power Research Institute, Beijing 100045,China;

3.Zhangjiakou Wind and Solar Power Energy Demonstration Station CO.LTD, Zhangjiakou 075000,China)

0引言

永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、后續(xù)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中所占的比例逐漸提高[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量及風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，世界各國(guó)紛紛出臺(tái)風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)提出了更嚴(yán)格的要求，其中除了要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力外，還要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓驟升期間具備一定程度的不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行能力，即高電壓穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)特性[2-5]。部分高電壓穿越曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1　高電壓穿越曲線(xiàn)

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電網(wǎng)電壓跌落對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響以及相應(yīng)LVRT技術(shù)的研究相對(duì)成熟[6-10]，文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)在全功率變流器直流側(cè)增加卸荷電阻構(gòu)成直流側(cè)Chopper保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓跌落時(shí)永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]通過(guò)在電壓跌落時(shí)控制網(wǎng)側(cè)變流器提供無(wú)功電流來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力；文獻(xiàn)[10]通過(guò)在電網(wǎng)故障時(shí)限制發(fā)電機(jī)的電磁功率來(lái)限制輸入到直流側(cè)電容和電網(wǎng)側(cè)變流器的功率實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓穩(wěn)定控制，從而有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行。但是對(duì)于電網(wǎng)電壓驟升對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響及相應(yīng)HVRT技術(shù)的研究還處于起步階段，相關(guān)參考文獻(xiàn)還比較少見(jiàn)。因此，研究電網(wǎng)電壓驟升對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，繼而提出一種可行的高電壓穿越控制策略就顯得十分必要和迫切。

本文在結(jié)合文獻(xiàn)[7-9]中有關(guān)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙模控制的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略，并通過(guò)仿真結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了該策略的可行性。

1電網(wǎng)電壓驟升下PMSG暫態(tài)過(guò)程分析

圖2　直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)建立了適于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析計(jì)算[11-12]的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型，其中采用了目前應(yīng)用最廣泛的背靠背全功率變流器，具體的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)全功率變流器將永磁發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)隔離，電網(wǎng)故障不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直接影響，同時(shí)機(jī)側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)直接相連，對(duì)機(jī)側(cè)變流器的控制實(shí)質(zhì)為對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，則在分析HVRT控制策略時(shí)只需將網(wǎng)側(cè)變流器的控制作為主要研究對(duì)象[13-14]。

網(wǎng)側(cè)變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)方程為

(1)

式中：ugd、ugq分別為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓矢量的d、q軸分量；igd、igq分別為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流矢量的d、q軸分量；ed、eq為電網(wǎng)電壓矢量的d、q軸分量；R為網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線(xiàn)電阻；L為網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線(xiàn)電感；ω為網(wǎng)側(cè)交變角頻率。

由式(1)可得網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量圖，如圖3所示。

圖3　網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量關(guān)系

根據(jù)電壓空間矢量調(diào)制理論，在不產(chǎn)生過(guò)調(diào)制情況下，調(diào)制比m需滿(mǎn)足：

(2)

式中：Udc為直流母線(xiàn)電壓。

由圖3及式(2)聯(lián)合得出：若功率因數(shù)角φ一定，則其輸出電壓矢量ug的末端必然落在阻抗三角形的斜邊上，且最大值ugmax受到直流側(cè)電壓Udc的嚴(yán)格限制[15]。

當(dāng)采用q軸電網(wǎng)電壓定向即q軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量Edq重合時(shí)，電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量d軸分量ed=0，eq=E(E為電網(wǎng)相電壓峰值)，將式(1)代入式(2)且同時(shí)忽略電阻R得

(3)

由此得知：當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓Udc應(yīng)不小于電網(wǎng)線(xiàn)電壓的峰值。則當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)直流母線(xiàn)電壓將隨之升高，直接威脅變流器的正常運(yùn)行，因此為保證電網(wǎng)電壓驟升期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，需采取有效的高電壓穿越控制策略。

2基于雙?？刂芇MSG的高電壓穿越控制策略

參考直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT控制策略，發(fā)現(xiàn)結(jié)合Chopper卸荷電路改變網(wǎng)側(cè)工作狀態(tài)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組快速向電網(wǎng)提供感性無(wú)功功率，消耗多余的電網(wǎng)能量，有利于PMSG具備高電壓穿越運(yùn)行的能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]得知電網(wǎng)電壓驟升期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功輸出主要取決于電網(wǎng)電壓驟升幅度，具體邏輯關(guān)系可參考德國(guó)E.ON 公司的 HVRT 并網(wǎng)要求：并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟升至 1.1 倍標(biāo)稱(chēng)值及以上時(shí)，機(jī)組需按電網(wǎng)電壓每升高 1%、至少提供 2%額定無(wú)功電流的原則優(yōu)先對(duì)故障電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，即

(4)

(5)

式中：imax為網(wǎng)側(cè)變流器最大允許電流。

圖4　高電壓穿越控制策略

3仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建2.5MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，具體參數(shù)為永磁同步發(fā)電機(jī)額定功率2 500kW，并網(wǎng)輸出額定電流2 092A，額定電壓690V，直流母線(xiàn)電容C1、C2均為18 000μF，卸荷電阻為0.97Ω，輸出濾波電感為0.15mH，經(jīng)升壓變壓器接入35kV電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行1.5s后電網(wǎng)低壓側(cè)三相/兩相電壓分別驟升130%，經(jīng)過(guò)200ms恢復(fù)正常。三相電網(wǎng)電壓驟升期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形如圖5所示。

圖5(a)　三相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，未采用高電壓穿越控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形

圖5(b)　三相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，采用高電壓穿越控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組HVRT仿真波形

由圖5可以看出，電網(wǎng)三相電壓值在1.5s時(shí)由690V驟升130%至897V，并維持200ms。圖5(a)、(b)分別為未采用高電壓穿越控制策略和采用高電壓穿越控制策略的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在電壓驟升期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出1.8MW的感性無(wú)功功率；有功功率則由原來(lái)的驟升至3MW改變?yōu)榻抵?.2MW并保持，在電網(wǎng)電壓驟升結(jié)束后恢復(fù)至原來(lái)的值；直流母線(xiàn)電壓值驟升值由原來(lái)的瞬間升高至1.4kV，隨后驟降至1.23kV改變?yōu)樗查g升高至1.24kV，隨后驟降至1.05kV，維持1.1kV至電網(wǎng)電壓恢復(fù)，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間小幅波動(dòng)后恢復(fù)到故障前的值保持穩(wěn)定。

兩相電網(wǎng)電壓驟升期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形如圖6所示。

圖6(a)　兩相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，未采用高電壓穿越控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形

圖6(b)　兩相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，采用高電壓穿越控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組HVRT仿真波形

由圖6可以看出電網(wǎng)AB兩相電壓值在1.5s時(shí)由690V驟升130%至897V，并維持200ms。圖6(a)、(b)分別為未采用高電壓穿越控制策略和采用高電壓穿越控制策略的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在電壓驟升期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出1.2MW的感性無(wú)功功率；有功功率則由原來(lái)的驟升至2.7MW改變?yōu)榻抵?.5MW并保持，在電網(wǎng)電壓驟升結(jié)束后恢復(fù)至原來(lái)的值；直流母線(xiàn)電壓值驟升值由原來(lái)的瞬間升高至1.24kV，隨后驟降至1.14kV改變?yōu)樗查g升高至1.1kV，隨后驟降至1.05kV并維持至電網(wǎng)電壓恢復(fù)，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間小幅波動(dòng)后恢復(fù)到故障前的值保持穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓驟升期間，改變網(wǎng)側(cè)變流器控制模式，依據(jù)電網(wǎng)電壓驟升幅度發(fā)出一定的無(wú)功電流，同時(shí)結(jié)合Chopper卸荷電路，消耗直流側(cè)積累的多余能量，可以避免直流母線(xiàn)過(guò)電壓，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越的能力。

4應(yīng)用驗(yàn)證

通過(guò)高電壓穿越測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生690V電網(wǎng)電壓三相及兩相驟升130%工況，利用某風(fēng)電場(chǎng)中2.5MW直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

三相電網(wǎng)電壓驟升持續(xù)200ms時(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況如圖7所示。

圖7　三相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組HVRT試驗(yàn)波形

由圖7可以看出電網(wǎng)三相電壓值由690V驟升130%并維持200ms，在此期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出1.6MW的感性無(wú)功功率，有功功率則由2.5MW降至0.062 8MW，在電網(wǎng)電壓驟升結(jié)束后恢復(fù)至原來(lái)的值；直流母線(xiàn)電壓值在驟升瞬間升高至1.15kV，隨后驟降至1.08kV，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后恢復(fù)到故障前的值保持穩(wěn)定。

AB兩相電網(wǎng)電壓驟升持續(xù)200ms時(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況如圖8所示。

圖8　兩相電網(wǎng)電壓驟升130%，持續(xù)200ms，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組HVRT試驗(yàn)波形

由圖8可以看出電網(wǎng)AB兩相電壓值由690V驟升130%并維持200ms，在此期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出1.36MW的感性無(wú)功功率，有功功率則由2.45MW降至0.312MW，在電網(wǎng)電壓驟升結(jié)束后恢復(fù)至原來(lái)的值；直流母線(xiàn)電壓值在驟升瞬間升高至1.158kV，隨后驟降至1.038kV，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后恢復(fù)到故障前的值保持穩(wěn)定。

應(yīng)用試驗(yàn)表明，本文提出的基于雙?？刂频闹彬?qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有可行性。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于雙?？刂频闹彬?qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略，通過(guò)判斷電網(wǎng)電壓驟升幅度及直流母線(xiàn)電壓的升高程度，利用模式選擇器進(jìn)行有功電流及無(wú)功電流參考值的設(shè)定，提高直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高電壓穿越能力。本文所采用的控制策略易與現(xiàn)有的低電壓穿越控制策略相結(jié)合，為基于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高低電壓穿越能力的研究提供了一定的解決思路。

參考文獻(xiàn)

[1]高峰，周孝信，等.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011(11)：29-34.

[2]戴慧珠，遲永寧.國(guó)內(nèi)外風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較研究[J].中國(guó)電力，2012，10：1-6+11.

[3]The Technical Basis for the New WECC Voltage Ride-Through (VRT) Standard[S]. Approved by WECC Board April 2007.

[4]Australian Energy Market Commission.National electricity rules[R/OL]. 2008.

[5]E.ON Netz.Grid code for high and extra high voltage[S]. Bayreuth,Germany:E.ON Netz Gwbh,2006.

[6]張興，張龍?jiān)?，楊淑英，?風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，20(2)：1-8.

[7]胡書(shū)舉，李建林，許洪華.直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)變流器建模和跌落特性仿真[J].高電壓技術(shù)，2008，34(5)：949-954.

[8]胡書(shū)舉，李建林，許洪華.直驅(qū)式VSCF風(fēng)電系統(tǒng)直流側(cè)Crowbar電路的仿真分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，20(3)：118-123.

[9]李建林，胡書(shū)舉，孔德國(guó)，等.全功率變流器永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(19)：92-95.

[10]姚駿，廖勇，莊凱.電網(wǎng)故障時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33 (12)：91-96.

[11]劉輝，閔勇.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定域邊界二維特征不變流形計(jì)算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(1)：5-10.

[12]葉圣永，王曉茹，劉志剛，等.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定概率評(píng)估方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(6)：19-23.

[13]Morren J, Pierik J T G, De Haan S W H. Voltage dip ride-through control of direct-drive wind turbines[C]// 39th International Universities Power Engineering Conference (UPEC) . 2004

[14]Morinaga Shuta, Izumi, Yuya, et al. Output power control of a PMSG based wind turbine in strong wind conditions [C]// 2013 IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE), May 28-31, 2013, Taipei, Taiwan.

[15]徐海亮，章瑋，陳建生，等.考慮動(dòng)態(tài)無(wú)功支持的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(36)：112-119+16.

馬偉娜(1988—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù)，E-mail：maweina2008@yeah.net；

白愷(1971—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)與新能源發(fā)電,E-mail：baikai1234@263.net；

宋鵬(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)與新能源發(fā)電，E-mail：18601121118@163.com。

(責(zé)任編輯：林海文)

摘要：為提高永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高電壓穿越能力，在研究電網(wǎng)電壓驟升下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性基礎(chǔ)上提出一種基于雙?？刂频挠来胖彬?qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高電壓穿越控制策略。以電網(wǎng)電壓驟升幅度及直流母線(xiàn)電壓的升高程度為依據(jù)，利用選擇器進(jìn)行網(wǎng)側(cè)變流器控制模式的轉(zhuǎn)換，從而使直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備高電壓穿越能力。基于PSCAD仿真平臺(tái)的仿真結(jié)果及應(yīng)用結(jié)果表明，該控制策略不僅可以保證直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓驟升期間不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，還可以有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償能力，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高電壓穿越；永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；雙?？刂?；PSCAD

Abstract：To improve the ability of the high voltage ride through for wind turbines with the direct-driven permanent magnet synchronous generator, a kind of control strategy of high voltage ride through based on dual-modes control is proposed according to research on the operational characteristics of the wind generators. According to the surge swelling of the grid voltage and the increasing of DC bus voltage, the control mode of converter on the grid side is converted via the mode selector, which makes direct-driven wind generators have such ability as the high voltage ride through. The simulation results by using PSCAD simulation platform and the application results show that this control strategy can not only ensure the wind turbines with direct-driven permanent magnet synchronous generator working continuously during grid voltage swells, but also can effectively improve the reactive power compensation capabilities of wind generators, which benefit for the operation security and stability of the grid.

Keywords：high voltage ride through; the direct-driven permanent magnet synchronous generator wind turbines; dual-modes control;PSCAD

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2014-07-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司項(xiàng)目

文章編號(hào)：1007-2322(2015)03-0013-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614