一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下低電壓穿越方法

黃 可, 高鋒陽(yáng), 杜 強(qiáng), 喬 垚

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下低電壓穿越方法

黃 可, 高鋒陽(yáng), 杜 強(qiáng), 喬 垚

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為了提高永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下的低電壓穿越(LVRT)能力，改進(jìn)了現(xiàn)有基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT策略。分析了電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，有功功率2倍工頻分量產(chǎn)生機(jī)理，討論了功率波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓的影響。采用模糊控制抑制功率波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，以及采用超級(jí)電容抑制功率波動(dòng)對(duì)直流母線電壓的影響。仿真表明，該控制策略可同時(shí)抑制電磁轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓的2倍工頻波動(dòng)；仿真結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性。

永磁同步發(fā)電機(jī)； 不對(duì)稱(chēng)故障； 低電壓穿越； 模糊控制； 超級(jí)電容

A Low Voltage Ride Through Strategy for Directly-Driven Wind

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力影響到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力提出了明確要求[1]。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無(wú)需變速齒輪箱，采用全功率變流器并網(wǎng)，故障率低、可靠性高且易于維護(hù)，越來(lái)越多地應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)[2-3]，對(duì)其LVRT控制策略的研究已有相關(guān)成果。在直流母線側(cè)安裝制動(dòng)電阻、釩電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等消耗冗余能量的控制策略[4-6]，提高了系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)故障率。利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性儲(chǔ)能的控制策略，風(fēng)力機(jī)容易超速，影響到發(fā)電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7-10]?？刂骑L(fēng)力機(jī)槳距對(duì)捕獲的風(fēng)能加以限制的控制策略，變槳控制響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)[11-12]，且變槳過(guò)程不利于系統(tǒng)在故障消除后快速恢復(fù)正常工況。利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性儲(chǔ)能，同時(shí)結(jié)合投切制動(dòng)電阻和增加網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流的控制策略[13]，制動(dòng)電阻有效限制了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的超速，但該控制策略對(duì)功率波動(dòng)沒(méi)有有效的抑制措施。電網(wǎng)故障以不對(duì)稱(chēng)故障居多，電壓不對(duì)稱(chēng)跌落會(huì)引起有功功率的不平衡和電壓負(fù)序分量的產(chǎn)生，導(dǎo)致有功功率的2倍工頻波動(dòng)[14]，進(jìn)而導(dǎo)致直流母線電壓和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩受到擾動(dòng)。模糊控制能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率的分配[15-16]，可用于抑制發(fā)電機(jī)有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩的2倍工頻波動(dòng)；超級(jí)電容能夠通過(guò)精準(zhǔn)的充放電控制穩(wěn)定直流側(cè)電壓[17-18]，可用于抑制直流母線電壓的2倍工頻波動(dòng)。本文研究模糊控制結(jié)合超級(jí)電容的LVRT控制策略，在三相電壓不對(duì)稱(chēng)跌落情況下，充分利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，在滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)LVRT要求的同時(shí)，有效抑制功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT策略

1.1 永磁發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的定子dq軸電壓方程為

(1)

式中：usd、usq——d、q軸定子電壓；

isd、isq——d、q軸定子電流；

ψsd、ψsq——d、q軸定子磁鏈；

Rs——定子電阻；

ωr——電角速度。

定子磁鏈方程為

(2)

式中：Ld、Lq——d、q軸定子電感；

ψf——轉(zhuǎn)子磁鏈。

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(3)

控制isd=0時(shí)，有：

(4)

通過(guò)控制igq，可以控制電磁轉(zhuǎn)矩Te。

1.2 電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

網(wǎng)側(cè)變流器電壓方程為

(5)

式中：ugd、ugq——變流器交流側(cè)d、q軸電壓；

ed、eq——d、q軸電網(wǎng)電壓；

igd、igq——d、q軸電流；

R、L——電抗器的電阻、電感；

ω——電網(wǎng)角頻率。

電網(wǎng)電壓矢量與d軸同向，ugq=0，有：

(6)

通過(guò)控制igd、igq，可以分別控制有功功率Pg和無(wú)功功率Qg。

1.3 轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT控制策略

基于轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT控制策略整體協(xié)調(diào)控制框圖如圖1所示。

LVRT工況下，igd由網(wǎng)側(cè)變流器允許傳輸?shù)淖畲箅娏鱥max和LVRT過(guò)程中要求的最小無(wú)功電流iqmin共同決定，isq由直流母線電壓決定。系統(tǒng)控制目標(biāo)是，在滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，最大限度地向電網(wǎng)輸送有功功率，同時(shí)將多余的有功功率以機(jī)械能的方式儲(chǔ)存在風(fēng)機(jī)葉片和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)中。

2 電壓不對(duì)稱(chēng)跌落下功率分析

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能整體協(xié)調(diào)控制框圖

(7)

對(duì)于b、c相電壓有：

(8)

(9)

(10)

(11)

令P=P0+P2ω·cos(2η+2ωt)，有：

(12)

(13)

(14)

綜上可知，在電網(wǎng)電壓三相不對(duì)稱(chēng)時(shí)，采用電網(wǎng)正序電壓定向矢量控制，網(wǎng)側(cè)有功功率包含穩(wěn)定值部分P0和2倍工頻波動(dòng)部分P2ω，且兩者有效值的關(guān)系如式(14)所示。

電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率含有2倍工頻波動(dòng)，直流母線電壓含有2倍工頻紋波[19-20]。系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT控制策略時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率跟蹤電網(wǎng)側(cè)有功功率，輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩受到2倍工頻擾動(dòng)。此時(shí)的LVRT控制策略，在滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，必須抑制2倍工頻波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓的影響。

3 抑制2倍工頻波動(dòng)的控制策略

3.1 模糊控制抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

為充分利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te跟蹤電網(wǎng)側(cè)功率Pg與發(fā)電機(jī)輸出功率Ps之間的差值。兩者差值包括兩個(gè)部分，電壓跌落引起的功率差值和電壓不對(duì)稱(chēng)引起的2倍工頻波動(dòng)。為避免電磁轉(zhuǎn)矩受到2倍工頻擾動(dòng)，采用的控制策略是：當(dāng)Pg與Ps之間的差值大于P2ω時(shí)，應(yīng)控制Te迅速跟蹤電網(wǎng)側(cè)功率Pg與發(fā)電機(jī)輸出功率Ps之間的差值；當(dāng)Pg與Ps之間的差值與P2ω相當(dāng)時(shí)，認(rèn)為兩者差值僅由2倍工頻波動(dòng)P2ω引起，應(yīng)控制電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。通過(guò)修正系數(shù)K對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)上述控制策略。如圖2所示。

圖2 模糊控制抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

圖3 A、B、K的隸屬度函數(shù)

模糊控制狀態(tài)表如表1所示。例如，當(dāng)A的值偏大(取PS)，B的值偏大(取PS)時(shí)，認(rèn)為功率差值主要是2倍工頻波動(dòng)P2ω，K的值選取0，控制電磁轉(zhuǎn)矩Te保持不變。

描述控制規(guī)則的總模糊關(guān)系為

(15)

表1 模糊控制狀態(tài)表

本文采用最大隸屬度法進(jìn)行解模糊計(jì)算，確定修正系數(shù)K的值。

3.2 超級(jí)電容抑制直流母線電壓波動(dòng)

電磁轉(zhuǎn)矩Te跟蹤電網(wǎng)側(cè)功率Pg與發(fā)電機(jī)輸出功率Ps之間的差值，利用模糊控制抑制功率波動(dòng)。直流母線承受全部的2倍工頻波動(dòng)和部分的功率差值，前者將引起電壓波動(dòng)，后者將引起電壓的泵升。在直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)超級(jí)電容進(jìn)行充放電控制來(lái)平衡電網(wǎng)側(cè)變流器和電機(jī)側(cè)變流器的功率不平衡，以穩(wěn)定直流母線電壓。超級(jí)電容采用Buck-Boost變換器并接入直流母線，如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容接入直流母線示意圖

當(dāng)直流側(cè)電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，變換器工作于Buck狀態(tài)，直流側(cè)對(duì)超級(jí)電容充電；反之，變換器工作于Boost狀態(tài)，超級(jí)電容放電給直流側(cè)提供功率支持[21]，如圖5所示。

4 仿真驗(yàn)證

通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。設(shè)電壓跌落前發(fā)電系統(tǒng)處于額定工作狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電壓在0.5 s時(shí)刻發(fā)生不對(duì)稱(chēng)跌落，三相電壓分別跌落至0.9、0.8和0.7。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

圖6 電壓不對(duì)稱(chēng)跌落持續(xù)625 ms的仿真波形

仿真結(jié)果如圖6所示。如圖6(c)所示，由于電壓三相不對(duì)稱(chēng)，存在負(fù)序分量，網(wǎng)側(cè)有功功率將產(chǎn)生2倍工頻波動(dòng)，同時(shí)由于電壓整體跌落，有功功率平均值下降。由圖6(d)、圖6(e)可知，電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率跟蹤電網(wǎng)側(cè)有功功率，在模糊控制的作用下，電磁轉(zhuǎn)矩迅速調(diào)整并不受2倍工頻波動(dòng)的影響，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的穩(wěn)步上升，電磁轉(zhuǎn)矩有下降的趨勢(shì)。圖6(f)中，由于超級(jí)電容的充放電控制跟蹤直流母線電壓與基準(zhǔn)電壓的差值，直流母線電壓存在波動(dòng)，但除電壓突變瞬間外波動(dòng)很小，約為50 V，可以認(rèn)為有效地抑制了直流母線電壓的2倍工頻波動(dòng)。圖6(g)所示為超級(jí)電容充放電過(guò)程中吸收的有功功率，可以看到超級(jí)電容幾乎承受所有的有功功率2倍工頻波動(dòng)。超級(jí)電容在LVRT過(guò)程中雖然切換于充、放電狀態(tài)，但整體上是充電的，雖然絕大部分有功功率差值分配到發(fā)電機(jī)側(cè)，但是由于模糊控制的作用，仍有部分有功功率差值由超級(jí)電容承擔(dān)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的LVRT控制策略，分析了電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，現(xiàn)有策略下有功功率2倍工頻分量產(chǎn)生機(jī)理，以及對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓的影響；研究了模糊控制結(jié)合超級(jí)電容的控制策略。基于MATLAB/Simulink仿真軟件得到了該控制策略的仿真結(jié)果。

(1) 電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，模糊控制能夠充分利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，同時(shí)有效地抑制電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。為抑制2倍工頻波動(dòng)影響而采用的模糊控制算法，使得有部分有功功率差值由直流母線承擔(dān)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不必承擔(dān)全部的功率差值。

(2) 模糊控制結(jié)合超級(jí)電容的LVRT控制策略，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和超級(jí)電容承擔(dān)功率差值，同時(shí)通過(guò)超級(jí)電容承擔(dān)有功功率的2倍工頻波動(dòng)，直流母線電壓在超級(jí)電容充放電系統(tǒng)的作用下波動(dòng)幅度很小，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性。

(3) 本文在分析網(wǎng)側(cè)有功功率2倍工頻分量產(chǎn)生機(jī)理時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，未考慮三相電壓頻率和相位的變化。因此，后續(xù)工作應(yīng)進(jìn)一步研究頻率和相位變化對(duì)有功功率波動(dòng)的影響。

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Turbine with Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator under Asymmetric Fault

HUANGKe,GAOFengyang,DUQiang,QIAOYao

(School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to improve the low voltage ride through capability of permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine under asymmetric fault, an improved control method was proposed, which was based on storing the active power surplus in the turbine-generator mechanical system inertia.The formation mechanism of active power double frequency components under unbalanced grid voltage level was analyzed, and the influence of active power ripple on the electromagnetic torque of generator and on the voltage of DC bus was discussed.Fuzzy control was applied to suppress the influence on the electromagnetic torque of generator, and super capacitor was applied to suppress the influence on the voltage of DC bus.Simulation results showed that the control method could suppress the double frequency components of the generator electromagnetic torque and that of the DC bus voltage at the same time, verifying the control method.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); asymmetric fault; low voltage ride through (LVRT); fuzzy control; super capacitor

黃 可(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磁c風(fēng)力發(fā)電。 高鋒陽(yáng)(1970—)，男，副教授，研究方向?yàn)榇蠊β孰娫磁c電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

TM 315

A

1673-6540(2017)03- 0096- 06

2016 -12 -12