兩種直流側(cè)卸荷直驅(qū)風(fēng)機(jī)LVRT分析

任天鴻， 晁 勤， 唐彬偉， 王海亮， 謝雙玲

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京100176；3.江蘇電力公司檢修分公司輸電檢修中心，江蘇南京211100；4.海南耐迪電力工程有限責(zé)任公司，海南?？?70217)

兩種直流側(cè)卸荷直驅(qū)風(fēng)機(jī)LVRT分析

任天鴻1， 晁 勤1， 唐彬偉2， 王海亮3， 謝雙玲4

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京100176；3.江蘇電力公司檢修分公司輸電檢修中心，江蘇南京211100；4.海南耐迪電力工程有限責(zé)任公司，海南?？?70217)

隨著并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的日益增加，風(fēng)力機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響日益突出。國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 392-2009及國(guó)標(biāo)GB/T19963-2001均對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力提出了明確的技術(shù)要求。分析了大功率永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的暫態(tài)特性，建立了基于Chopper與超級(jí)電容器的兩種直流側(cè)卸荷電路及相應(yīng)的控制策略。并在PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下搭建了相應(yīng)的并網(wǎng)仿真模型，仿真對(duì)比了在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)兩種卸荷電路對(duì)機(jī)組暫態(tài)特性的影響。仿真結(jié)果表明在網(wǎng)側(cè)電壓跌落的時(shí)候，兩種卸荷方式在穩(wěn)定直流側(cè)電壓和系統(tǒng)恢復(fù)方面，各有優(yōu)勢(shì)。

直流側(cè)卸荷電路；超級(jí)電容器；永磁直驅(qū)并網(wǎng)系統(tǒng)；低電壓穿越

隨常規(guī)能源的消耗與環(huán)境污染的日益加重，風(fēng)力發(fā)電得到了廣泛的重視與發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電也由最初的作為偏遠(yuǎn)地區(qū)的離網(wǎng)型小機(jī)組發(fā)展到了并網(wǎng)型大功率機(jī)組。近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)功率日漸增大，而其固有的出力波動(dòng)性、間斷性對(duì)電網(wǎng)的影響也日趨明顯。電網(wǎng)公司根據(jù)實(shí)際運(yùn)行及自身?xiàng)l件對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)提出了技術(shù)要求與準(zhǔn)入規(guī)則。近年來(lái)由于故障或擾動(dòng)造成的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故對(duì)我國(guó)西北電網(wǎng)、蒙西電網(wǎng)等區(qū)域電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的影響，故對(duì)要求并入電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)滿足低電壓穿越等電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有維護(hù)費(fèi)用小，運(yùn)行成本低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。其雙向的PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]使得其具有較好的有功無(wú)功解耦控制特性，與早期的定速與雙饋機(jī)組相比，具有較好的低電壓穿越能力[3]。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)力機(jī)組的出力無(wú)法送至網(wǎng)側(cè)，而風(fēng)機(jī)側(cè)變流器依然對(duì)定子的最大功率追蹤，風(fēng)電機(jī)組的輸入功率大于輸出功率，直流側(cè)電容電壓升高，將會(huì)損害變流器，此時(shí)機(jī)側(cè)變流器的電壓、電流、有功、無(wú)功都會(huì)產(chǎn)生振蕩，若不采取有效措施，將導(dǎo)致PMSG脫網(wǎng)，故必須采取措施對(duì)風(fēng)電機(jī)組變流器直流側(cè)電壓進(jìn)行有效限制。為保證變流器直流側(cè)安全，常用的方法有直流側(cè)加裝Chopper[4]、超級(jí)電容器[5-7]、蓄電池等方式，目的是平抑多余的能量，平衡風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入與輸出功率，將直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

本文介紹了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電接入系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定和準(zhǔn)則，根據(jù)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理基于PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境搭建了PMSG并網(wǎng)模型[8-10]，介紹了主動(dòng)式IGBT型Chopper電路及超級(jí)電容器，對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓突然跌落行了仿真，并針對(duì)故障，分別采用Chopper回路與超級(jí)電容器的投切與控制，對(duì)比分析了兩種不同方案下PMSG在低電壓跌落情況下的動(dòng)態(tài)特征。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力要求

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力(LVRT)是指當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落超出正常運(yùn)行電壓范圍時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，并平穩(wěn)過渡到正常狀態(tài)的能力。我國(guó)國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 392-2009與國(guó)標(biāo)GB/T 19963-2011對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的要求見圖1。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力標(biāo)準(zhǔn)

圖1中風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓曲線以上的區(qū)域及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組端電壓跌落到額定電壓的20%時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組能夠維持運(yùn)行625 ms，風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓在3 s時(shí)恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。

2 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)建模與并網(wǎng)控制

2.1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組工作原理

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)由永磁風(fēng)機(jī)與雙PWM變頻器與電網(wǎng)相連。機(jī)側(cè)與風(fēng)機(jī)相連的AC/DC變流器通過網(wǎng)側(cè)軸與軸電流控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與無(wú)功，網(wǎng)側(cè)則參考電網(wǎng)的軸與軸電流實(shí)現(xiàn)通過上述控制方式，分別實(shí)現(xiàn)了變流器直流側(cè)與發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)側(cè)的有功、無(wú)功解耦控制。

2.2 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)控制

PMSG機(jī)側(cè)通過變流器對(duì)發(fā)電機(jī)定子電流進(jìn)行控制，從而控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在0坐標(biāo)下，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組的方程為：

雙環(huán)的外環(huán)采用直接功率控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制。為使發(fā)電機(jī)單位功率因數(shù)運(yùn)行，對(duì)軸電流參考值設(shè)置為0，內(nèi)環(huán)軸電流參考值通過外環(huán)功率控制，即參考功率與電網(wǎng)實(shí)際功率作差通過PI控制獲得。

圖2 PMSG機(jī)側(cè)控制圖

2.3 PMSG網(wǎng)側(cè)控制

網(wǎng)側(cè)變流器的控制是基于電網(wǎng)電壓矢量的控制?？刂圃韴D如圖3所示。

圖3 PMSG網(wǎng)側(cè)控制圖

3 Crowbar及超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)與控制

3.1 直流側(cè)卸荷電路原理

PMSG的直流側(cè)卸荷電路由IGBT與卸荷電阻構(gòu)成。

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子過流，Crowbar檢測(cè)到直流側(cè)電壓過高時(shí)投用。Crowbar將接通變流器直流側(cè)卸荷電路，通過遲滯比較環(huán)節(jié)，控制IGBT導(dǎo)通，將多余的電能通過消耗掉，從而使直流側(cè)不過壓(圖4)。

圖4 直流側(cè)卸荷電路控制原理圖

卸荷電阻值的選擇按照最嚴(yán)重情況考慮，即風(fēng)機(jī)在滿發(fā)時(shí)網(wǎng)側(cè)發(fā)生深度電壓跌落。卸荷電阻可通過式(5)計(jì)算得到：

3.2 超級(jí)電容器卸荷電路原理

如圖5所示，超級(jí)電容器通過非隔離型雙向buck-boost電路與PMSG變流器直流側(cè)電容相連。

圖5 超級(jí)電容器及DC-DC原理圖

超級(jí)電容器的作用是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，當(dāng)直流側(cè)母線電壓過高時(shí)，該電路工作在buck模式下，對(duì)電容器充電；當(dāng)直流側(cè)母線過低時(shí)，工作在boost狀態(tài)，電容器放電，穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，本文僅對(duì)buck工況進(jìn)行討論。

4 仿真分析與算例驗(yàn)證

本文基于PSCAD/EMTDC環(huán)境搭建了PMSG風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，針對(duì)網(wǎng)側(cè)發(fā)生的電壓跌落，對(duì)比仿真未加裝保護(hù)裝置、加裝卸荷電阻和超級(jí)電容器的低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性。

電壓跌落幅度為80%，永磁風(fēng)機(jī)功率1.5 MW，定子額定電壓為0.69 kV，額定轉(zhuǎn)速為28 r/min，極對(duì)數(shù)為32，定子漏電阻為0.064 p.u，定子線圈電阻為0.017 p.u；變流器直流側(cè)穩(wěn)壓電容為75 mF，直流側(cè)電壓為1.5 kV；在1 s時(shí)故障發(fā)生，在1.625 s時(shí)故障消失，故障持續(xù)時(shí)間為0.625 s，風(fēng)速保持恒定。

圖6和圖7為電壓跌落過程中，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波形圖與恢復(fù)正常時(shí)波形。觀察圖7：裝超級(jí)電容器的電路率先回穩(wěn)；接入卸荷電阻的電路波形趨穩(wěn)過程稍慢于采用超級(jí)電容器卸荷的電路；未裝設(shè)卸荷電路的PCC點(diǎn)電壓趨穩(wěn)時(shí)間最長(zhǎng)。

觀察圖8：永磁風(fēng)機(jī)的輸出功率波動(dòng)，未裝設(shè)卸荷電路時(shí)，其輸出有功最低將跌落到0.2 MW以下；接入超級(jí)電容器時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力維持在1.0 MW；而卸荷電阻在電壓跌落時(shí)，維持其出力在1.1 MW以上。卸荷電阻對(duì)發(fā)電機(jī)組出力穩(wěn)定的效果最好。

觀察圖9網(wǎng)側(cè)電壓大幅跌落時(shí)，若不投入卸荷電路，由于控制系統(tǒng)中的給定值與實(shí)際值相差太大，PI調(diào)節(jié)器深度飽和，難以恢復(fù)有效調(diào)節(jié)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)，機(jī)組依然失控，不能快速回穩(wěn)。卸荷電阻對(duì)直流側(cè)的電壓穩(wěn)定性有更好的效果；超級(jí)電容器在風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)中，不斷存儲(chǔ)電能，逐漸達(dá)到其存儲(chǔ)上限無(wú)法有效地鉗制直流側(cè)電壓上升。

觀察圖10未投入卸荷電路時(shí)，從故障發(fā)生到故障切除，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與投入卸荷電路相比，始終處于較大波動(dòng)狀態(tài)，而投入直流側(cè)超級(jí)電容器和卸荷電阻情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終波動(dòng)很小，僅僅在網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)，有所波動(dòng)，且卸荷電阻對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定效果最好。

圖6 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖8 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)輸出有功

圖9 直流側(cè)電壓標(biāo)幺值

圖10 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值

5 結(jié)論

本文在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下建立了PMSG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及LVRT控制模型，針對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓跌落至0.2倍額定電壓時(shí)，分別就未接入卸荷電路、接入超級(jí)電容器和接入Crowbar進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：

(1)在并網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的出力穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定方面，卸荷電阻的效果明顯優(yōu)于超級(jí)電容器，功率波動(dòng)、電壓波動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)均維持在很小范圍內(nèi)，能在短時(shí)間內(nèi)消耗由于網(wǎng)側(cè)電壓跌落而無(wú)法送出的風(fēng)機(jī)出力。

(2)從PCC點(diǎn)電壓的恢復(fù)和并網(wǎng)電流的波動(dòng)可以得出：超級(jí)電容器的過渡狀態(tài)更為柔和，在網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)，超級(jí)電容器能以最快的速度使并網(wǎng)永磁風(fēng)機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)正常，且超調(diào)量最小，趨穩(wěn)時(shí)間最短，穩(wěn)定性最好。

(3)通過直流側(cè)卸荷電路，減小了網(wǎng)側(cè)電壓跌落和恢復(fù)階段過電壓的幅度，在電壓跌落過程中，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在變流器可控的范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)變流器始終在可控狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)，永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)可迅速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)綜合考慮卸荷電阻穩(wěn)定有功、電壓及轉(zhuǎn)速優(yōu)于超級(jí)電容器，是由于超級(jí)電容器屬于儲(chǔ)能元件，隨著能量的吸收，端電壓逐漸升高，同時(shí)超級(jí)電容器內(nèi)環(huán)電流環(huán)對(duì)流入超級(jí)電容器的電流有所限制，其對(duì)電能的吸納能力逐漸下降，而卸荷電阻將電能及時(shí)消耗掉，故有較好的穩(wěn)定性。

本文僅針對(duì)并網(wǎng)型永磁直驅(qū)變流器直流側(cè)的電壓、有功輸出、轉(zhuǎn)速PCC點(diǎn)電壓等指標(biāo)進(jìn)行了分析研究，針對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的LVRT特性，還有待進(jìn)一步深入研究。

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Comparative analysis of PMSG LVRT on two different chopper

With the increase of wind turbine more and more,the interaction of wind power and power grid became increasingly prominent.The enterprise standard of state grid Q/GDW 392-2009&GB/T19963-2001 clarified a clear technical requirements for the LVRT of wind turbine.Based on the voltage drop transient characteristic of large power PMSG, the actual grid connected-PMSG and chopper&ultracapacitor, the model of them were set up in PSCAD/EMTDC,specific to the terrible voltage drop of PCC.The two different transient characteristic were simulated and compared of chopper circuits.From the result it is clearly that at the PCC voltage drop,the two different circuits have their own different advantages at the DC voltage and system recovery etc

crowbar;ultracapacitor;PMSG grid-connected system;LVRT

TM 77

A

1002-087 X(2016)03-0715-04

2015-08-03

科技部“國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助”項(xiàng)目(172013DFG61520)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51267020)

任天鴻(1981—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；導(dǎo)師：晁勤(1959—)，女，湖南省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)綜合自動(dòng)化和并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性等。