SMES用于雙饋發(fā)電機(jī)故障穿越的研究

劉金虹　張　輝　李　潔　楊秉翰　閔　陽(yáng)

SMES用于雙饋發(fā)電機(jī)故障穿越的研究

劉金虹1，2張輝1，2李潔1楊秉翰1閔陽(yáng)1

（1. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 西安 710048 2. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

近年來隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的迅速增加，風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響日益嚴(yán)重。本文首先介紹了風(fēng)電場(chǎng)故障穿越的技術(shù)要求，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）控制系統(tǒng)分為風(fēng)機(jī)控制分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)變頻器控制分系統(tǒng)，然后建立超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）3階相量模型，并采用SMES提高DFIG故障穿越能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，最后在Matlab/Simulink中搭建SMES+DFIG仿真模型，并采用中國(guó)的低電壓穿越（LVRT）標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的高電壓穿越（HVRT）標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證SMES輔助風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)故障穿越的能力。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能 故障穿越 雙饋風(fēng)力發(fā)電 相量模型

0　引言

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的迅速增大和風(fēng)電并網(wǎng)要求的不斷提高，故障穿越成為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的必備能力，否則因電壓跌落或浪涌導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組解列將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定，甚至造成全面癱瘓。

目前大部分風(fēng)電場(chǎng)故障穿越研究集中在低電壓穿越（Low Voltage Ride Through， LVRT）與零電壓穿越（Zero Voltage Ride Through， ZVRT），高電壓穿越（High Voltage Ride Through， HVRT）研究較 少。而實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生時(shí)，由于投切電容器等無功補(bǔ)償裝置，可能造成無功過剩，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)引起電網(wǎng)電壓驟升，對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成二次危害，故需要綜合考慮各種情況下的故障穿越。

目前解決故障穿越的方法主要有軟件法和硬件法，其中硬件法有2種［1］：加儲(chǔ)能裝置或者轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)撬棒（Crowbar）電路，軟件法有3種［2］：基于定子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?、改進(jìn)矢量控制策略、和基于H∞和μ 分析的新型魯棒控制器方法。

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)公共耦合點(diǎn)（Point of Common Coupling， PCC）額定電壓為Un，則當(dāng)PCC點(diǎn)電壓跌落至0甚至0.15Un以下時(shí)，采用軟件法很難實(shí)現(xiàn)，故采用硬件法輔助風(fēng)電機(jī)組穿越故障電壓已成為 必然。

目前這兩種硬件法均能較好地改善風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能，但加裝撬棒電路會(huì)增加額外的功率損耗，故增加儲(chǔ)能裝置具有更好的效果。本文擬采用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES）輔助風(fēng)電機(jī)組穿越故障電壓。

1　故障穿越技術(shù)要求

對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量占其他電源總?cè)萘勘壤笥?%的省（區(qū)域）級(jí)電網(wǎng)，該電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有低電壓穿越能力［3］。

《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2011）表明，PCC電壓為0.9Un～1.1Un時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。

圖1　中國(guó)LVRT和ZVRT標(biāo)準(zhǔn)Fig.1　Grid codes of LVRT and ZVRT in China

LVRT（或ZVRT）要求：當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起PCC電壓跌落時(shí)，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

（1）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在PCC電壓跌至0.2Un（或0）時(shí)，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.625s（或0.2s）的能力。

（2）風(fēng)電場(chǎng)PCC電壓在發(fā)生跌落后2s（或5s）內(nèi)能夠恢復(fù)到0.9Un，期間風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，如圖1所示。

對(duì)于HVRT，目前國(guó)家電網(wǎng)公司沒有明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在此參照美國(guó)HVRT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

（1）當(dāng)PCC電壓上升到1.2Un時(shí)，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行1s；

（2）PCC電壓每秒下降3.3%，4s內(nèi)恢復(fù)到正常電壓范圍內(nèi)，期間風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

圖2　美國(guó)HVRT和LVRT標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Grid codes of HVRT& LVRT in USA

2　SMES 3階相量模型及其控制

目前用于SMES的控制方法主要有直接功率控制［4］、功率解耦控制［5］、載波輪換均流控制［6］、反饋線性化控制［7］、模糊邏輯控制［8］、自適應(yīng)神經(jīng)元控制［9］和非線性PID控制［10］等。

其中非線性PID控制具有魯棒性強(qiáng)、不依賴于被控對(duì)象模型等優(yōu)點(diǎn)，相量模型就屬于非線性PID控制的一種。

SMES在電磁暫態(tài)分析中，一般都采用等效的2階相量模型［11］，但該模型忽略了SMES能量及電流對(duì)其輸出功率的影響，未考慮有功和無功功率的相互影響，且沒有考慮變流器輸出電流大小的限制，故在此采用3階相量模型。

2.1SMES功率關(guān)系

若不計(jì)變流器損耗，考慮交/直流側(cè)功率平衡，可得電壓電流之間的關(guān)系為［12］

式中，Ud為直流側(cè)電壓；Id為超導(dǎo)線圈直流電流；Us和Is分別為交流側(cè)相電壓和相電流有效值；φ是Us和Is的相位差。PWM控制下SMES向系統(tǒng)輸出的有功/無功功率可以表示為

式中，Usm和Ism分別表示變流器交流側(cè)相電壓和相電流幅值；M為變流器的調(diào)制比。將式（2）中兩式平方后相加可得

調(diào)制比M的取值范圍為［0，1］，故由式（3）知

SMES功率調(diào)節(jié)范圍在PQ坐標(biāo)系內(nèi)為一個(gè)圓心在 原點(diǎn)，半徑為的圓內(nèi)，如圖3所示。

圖3　有功無功功率關(guān)系Fig.3　Relationship of active and reactive power

2.2 SMES 3階相量模型

超導(dǎo)線圈上的儲(chǔ)能scE可以表示為

則

由式（2）可知通過調(diào)制比M和相位角φ實(shí)現(xiàn)SMES的有功/無功解耦控制，若給定的功率參考信號(hào)為Pref、Qref，則

考慮SMES變流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲，其動(dòng)態(tài)過程可由式（7）的兩個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)來描述。

式中，時(shí)間常數(shù)Tc的物理含義是變流器以及其內(nèi)部的延遲時(shí)間。

SMES模型框圖如圖4所示：虛線框內(nèi)為式（7）反映的SMES變流器動(dòng)態(tài)過程，虛線框上部是式（5）所示的超導(dǎo)線圈電流動(dòng)態(tài)模型。此外SMES外環(huán)控制器中，有功功率控制用于抑制功率振蕩；無功功率控制用于維持PCC電壓穩(wěn)定。

圖4　SMES 3階相量模型Fig.4　Third-order phasor model of SMES

3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及控制

風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)模型為［13］

式中，PM為風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中捕捉的能量轉(zhuǎn)化成的風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率；ρa(bǔ)ir為空氣密度；Cp為葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；R為風(fēng)輪機(jī)葉輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角；νω為風(fēng)速。

在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得DFIG數(shù)學(xué)模型可用以下幾個(gè)方程描述。

定子電壓方程為

轉(zhuǎn)子電壓方程為

定子磁鏈方程為

轉(zhuǎn)子磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

運(yùn)動(dòng)方程為

式中，mecT、emT分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。

將同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系d軸與定子電壓矢量方向重合，有usd=Us，usq=0，因此DFIG定子有功/無功功率表示為

式中，ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流在以定子電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q軸上的有功/無功分量，ird可控制定子繞組有功功率Ps，irq可控制定子繞組無功功率Qs，它們之間不存在耦合關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)定子繞組有功/無功功率解耦控制。

DFIG綜合控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，包含了兩個(gè)部分：風(fēng)輪機(jī)控制與DFIG控制［14］。風(fēng)輪機(jī)控制中，β 為槳距角分別為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速參考值和測(cè)量值；為PCC參考額定功率。

圖5　基于DFIG的風(fēng)電機(jī)組綜合控制Fig.5　Integrated control of wind turbine based on DFIG

DFIG控制用于獨(dú)立控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功/無功功率，包含兩個(gè)部分：一個(gè)用于機(jī)側(cè)變流器控制；一個(gè)用于網(wǎng)側(cè)變流器控制。風(fēng)輪機(jī)的控制由轉(zhuǎn)速控制器與槳距角控制器組成。轉(zhuǎn)速控制器提供用于控 制PCC功率的變流器有功功率參考值給DFIG 機(jī)側(cè)變流器的功率控制器；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組有功功率超過其額定功率時(shí)，槳距角控制器增大槳距角以限制風(fēng)電機(jī)組有功功率。對(duì)于變流 器的無功功率控制，機(jī)側(cè)變流器的根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn) 行時(shí)系統(tǒng)對(duì)PCC無功功率的需求設(shè)定為一個(gè)不變 值；網(wǎng)側(cè)變流器的設(shè)定為0，保持正常工作時(shí) 轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間不交換無功。

4　仿真及結(jié)果分析

4.1仿真模型的構(gòu)建

帶SMES的風(fēng)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中6個(gè)1.5MW DFIG通過Yd變壓器聯(lián)結(jié)交流電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓由恒定頻率的理想三相電壓源代替，通過30km的傳輸線連接到風(fēng)機(jī)。根據(jù)風(fēng)速-功率曲線特性［15］，假設(shè)平均風(fēng)速為15m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率為1（pu），發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速度為1（pu），SMES通過變壓器連接到PCC，其額定儲(chǔ)能量為1MJ。

圖6　帶SMES的DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　DFIG grid-connected system with SMES

圖7　SMES相量模型Fig.7　Phasor model of SMES

SMES相量模型采用三相對(duì)稱可控電流源來模擬SMES的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，且只模擬SMES的有功/無功功率響應(yīng)特性。圖7是SMES相量模型，其輸入為有功/無功功率指令值，輸出為三相交流功率，輸出測(cè)量端m為SMES交流側(cè)相電壓、相電流、dq軸電壓/電流分量、有功/無功功率、直流側(cè)電壓等。

SMES相量模型主要由等效電流源、控制輸出和信號(hào)采集三部分構(gòu)成。控制輸出模塊用以將外部輸入的指令值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值，信號(hào)采集模塊用于檢測(cè)內(nèi)部電壓、電流等信號(hào)并將其輸出。對(duì)于并聯(lián)直流母線的SMES，還需加上斬波器和相應(yīng)的控制裝置，控制信號(hào)取母線電壓與參考值的偏差量。

Matlab/Simulink中DFIG仿真模型輸入由風(fēng)速和無功功率給定，輸出通過變壓器及輸電線路與電網(wǎng)相連。監(jiān)測(cè)量包括直流母線電壓、有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓/電流和轉(zhuǎn)速等。由于只是仿真故障期間DFIG的響應(yīng)特性，故DFIG的風(fēng)速輸入設(shè)定為恒定值，故障前DFIG以額定功率運(yùn)行于穩(wěn)定狀態(tài)，圖8是其模型圖及子模型。

圖8　DFIG模型外觀圖及內(nèi)部詳細(xì)模型Fig.8　DFIG model and sub model

4.2仿真參數(shù)

DFIG參數(shù)、傳輸線路參數(shù)及SMES參數(shù)列于表1～表3。

4.3仿真結(jié)果及分析

1）t=2s時(shí)，給定網(wǎng)側(cè)電壓浪涌1.4（pu），仿真結(jié)果如圖9所示。

無SMES時(shí)，PCC電壓上升到1.35（pu），根據(jù)美國(guó)風(fēng)電HVRT并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)將脫網(wǎng)。

表1　DFIG參數(shù)Tab.1 Parameters of DFIG

表2　傳輸線路參數(shù)Tab.2　Parameters of Transmission line

表3　SMES參數(shù)Tab.3 Parameters of SMES

圖9　PCC電壓響應(yīng)Fig.9　Voltage response of PCC

有SMES時(shí)，PCC電壓下降到1.18（pu），在美國(guó)HVRT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，避免了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

2）t=2.13s時(shí)，故障消除。

無SMES時(shí)，電壓下降到0.82（pu），有SMES時(shí)，電壓下降到0.9（pu）。

直流母線電壓是體現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組故障穿越的重要指標(biāo)，圖10顯示了電壓浪涌時(shí)的直流側(cè)電壓波形。有SMES時(shí)，振蕩和超調(diào)大大減小，直流側(cè)電壓在峰值下降約50V。

圖10 VSC電容端電壓Fig.10　Capacitor voltage of VSC

圖11顯示了電壓浪涌時(shí)風(fēng)機(jī)的特性。當(dāng)PCC產(chǎn)生浪涌電壓且無SMES時(shí)，有功功率上升到1.38（pu），有SMES時(shí)，有功功率下降到1.28（pu），SMES在一定程度上抑制了浪涌功率上升。t=2.13s故障消除時(shí)，有功功率下降，這和電壓變化情況類似。

圖11　DFIG輸出有功/無功功率波形Fig.11　Active/reactive power output of DFIG

同樣，當(dāng)PCC發(fā)生電壓跌落且無SMES時(shí)，無功功率下降到-0.8（pu）；而有SMES時(shí)，無功功率下降到-0.38（pu），SMES可有效地防止PCC功率深度跌落，輔助風(fēng)機(jī)成功穿越故障。

SMES線圈儲(chǔ)能和電流特性分別如圖12和圖13所示。發(fā)生電壓浪涌時(shí)，SMES瞬間給電網(wǎng)放電，恢復(fù)時(shí)間為幾毫秒，滿足電網(wǎng)故障時(shí)快速響應(yīng)的特性。

圖12　SMES線圈的儲(chǔ)能特性Fig.12　Storage characteristics of SMES coil

圖13　SMES線圈的電流特性Fig.13　Current characteristics of SMES coil

5　結(jié)論

文章研究采用SMES增強(qiáng)DFIG故障穿越能力，使風(fēng)電機(jī)組滿足中國(guó)LVRT和美國(guó)HVRT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，無SMES時(shí)，PCC電壓超出許可電壓，風(fēng)電機(jī)組將脫網(wǎng)。當(dāng)加入SMES及相應(yīng)控制時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力得到極大改善，在故障發(fā)生時(shí)風(fēng)電機(jī)組能持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，保證電力供應(yīng)的連續(xù)性。

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劉金虹 男，1985年生，博士，研究先進(jìn)電力儲(chǔ)能及其在微網(wǎng)中的應(yīng)用。

張 輝 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究節(jié)能與新能源發(fā)電、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

Application of SMES to Improve Fault Voltage Ride Through Capability of Doubly Fed Induction Generator

Liu Jinhong1，2Zhang Hui1，2Li Jie1Yang Binghan1Min Yang1
（1. Xi'an University of Technology Xi'an 710048 China 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xian Jiao Tong University Xi'an 710049 China）

Recently， with the rapid increase of wind power generation， the trip off of wind farm will have an increasing impact on power system .In this paper， the fault ride through grid codes of wind farm is introduced at first， then a third-order phase model is used for superconducting magnetic energy storage （SMES）. The integrated control system of DFIG is divided into wind generator control system， rotor side and the stator side converter control system. SMES unit is used to improve fault ride through capability and dynamic response of DFIG. At last， the simulation model of SMES+DFIG are built in Matlab/Simulink， high voltage ride through（HVRT）grid code of the United States and low voltage ride through（LVRT）grid code of China are used to verify the ability of the SMES unit to avoid wind turbine generator from being disconnected from the grid.

Superconducting magnetic energy storage， fault voltage ride through， doubly fed induction generator， phasor model

TM921

國(guó)家自然科學(xué)基金（51277150、51307140），陜西省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃（2013K07-05），陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育（14JF020），陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金（105-5X1201），電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（EIPE12209）資助項(xiàng)目。

2014-08-25 改稿日期 2015-04-08