一種利用超級電容儲能系統(tǒng)實現(xiàn)直驅(qū)風電機組高電壓穿越的新方案

蔣永梅，張 謙，金武杰，金晨星，徐 寧，葉自強

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

風力發(fā)電規(guī)模逐年擴大，風電機組安全穩(wěn)定運行已經(jīng)受到廣泛關(guān)注[1-2]。并網(wǎng)準則要求并網(wǎng)型風電機組具有低電壓穿越能力，但近些年發(fā)生的大規(guī)模事故多數(shù)還伴有HVRT（高電壓穿越）的情況。

目前針對機組HVRT的研究已經(jīng)得到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。文獻[3-4]分析了雙饋風電機組的HVRT過程，采用Crowbar+DC Chopper組件可以有效地實現(xiàn)HVRT；文獻[5]采用Crowbar電路實現(xiàn)直驅(qū)風電機組的HVRT。這兩種方法不僅需要加裝硬件，而且主要是把故障期間的有功功率消耗掉，降低了發(fā)電效率。文獻[6]運用PSCAD軟件平臺仿真分析直驅(qū)風電機組在電網(wǎng)跌落和驟升下的暫態(tài)特性，但是并未給出詳細的控制策略。SCES（超級電容儲能系統(tǒng)）具備快速充放電、不易受到環(huán)境影響、能量密度大等優(yōu)點[7-10]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電、能量回收等系統(tǒng)。文獻[11]采用SCES與蓄電池儲能系統(tǒng)相配合，可以實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的低電壓穿越，具有良好的控制性能。文獻[12]針對鼠籠型全功率風電變流器機組，提出一種利用超級電容器儲能裝置實現(xiàn)低電壓穿越的方案。文獻[13]提出一種基于化學電池和超級電容器組成的混合儲能方案，實現(xiàn)永磁風電機組的低電壓穿越，并分析其控制策略。文獻[14]提出將SCES應(yīng)用于永磁同步發(fā)電機，同時給出了全功率型變流器機組在低電壓穿越過程中的控制算法。

綜上所述，在傳統(tǒng)風電機組HVRT方法中，均通過增加硬件電路來消耗故障穿越期間多余能量，這不僅會降低發(fā)電機效率，也將大大增加發(fā)電機發(fā)熱，造成一定的安全隱患。采用儲能系統(tǒng)例如SCES，能夠大大提高發(fā)電機的能量利用效率。

1 基于SCES的直驅(qū)風電機組變流器拓撲結(jié)構(gòu)

基于SCES的直驅(qū)風電機組變流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于SCES的直驅(qū)風電機組變流器拓撲結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)包括機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器以及SCES。其中，SCES由超級電容器組和雙向Buck/Boost變換器組成。為論述方便，采用超級電容與等效串聯(lián)電阻的串聯(lián)模型來模擬超級電容器組[15]。

當發(fā)生HVRT時，網(wǎng)側(cè)變流器須盡快向電網(wǎng)提供無功功率以幫助盡快恢復并網(wǎng)點電壓。同時，由于網(wǎng)側(cè)變流器最大允許工作電流的限制，使得有功功率大幅度降低。如果不立即采取措施消耗多余有功，將導致直流母線電壓驟升，甚至影響到風電機組正常運行。在母線上增加超級電容后，利用其消耗掉HVRT故障期間多余的有功功率，保障了直流母線電壓的穩(wěn)定[16-17]。

2 含SCES的風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

風電機組正常工作時，網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制，可實現(xiàn)發(fā)電機單位功率因數(shù)運行以及直流母線電壓穩(wěn)定。電壓外環(huán)跟蹤負載功率變化，也間接決定了直流母線電壓穩(wěn)定。因此，利用電流內(nèi)環(huán)對交流側(cè)無功功率的調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)逆變器按照單位功率因數(shù)工作的目標。變流器矢量等效電路如圖2所示。

圖2 變流器矢量等效電路

為便于分析，將全功率變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq軸進行等效分析。根據(jù)圖2可得出全功率變流器的電壓、功率方程為：

式中：Ug為網(wǎng)側(cè)電壓；Rg為網(wǎng)側(cè)濾波電抗器的等效電阻；Qg為網(wǎng)側(cè)無功功率；t為時間；Uc為超級電容器端電壓。

忽略Rc及Lc，利用電網(wǎng)電壓定向矢量的控制策略，由式（1）可得：

式中：Ig_d，Ig_q分別為Ig的dq軸分量。

由式（2）可知，對網(wǎng)側(cè)電流d軸的分量Ig_d和q軸分量的Ig_q分別進行控制,可實現(xiàn)直驅(qū)風電機組網(wǎng)側(cè)變流器功率解耦控制。

網(wǎng)側(cè)變流器控制策略如圖3所示，實現(xiàn)了直流母線電壓控制和功率因數(shù)控制。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

2.2 SCES控制策略

在風電機組HVRT過程中，網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變器模式，按照要求向電網(wǎng)注入一定量的無功功率，并且盡可能多地向電網(wǎng)發(fā)出有功功率。能夠輸出有功功率的大小會受到變流器最大允許電流Imax的制約。

SCES控制策略如圖4所示，當檢測到電網(wǎng)發(fā)生高電壓故障時，SCES投入工作，采用帶功率前饋的雙閉環(huán)控制器：電壓外環(huán)控制直流母線電壓使其穩(wěn)定在額定值，電流內(nèi)環(huán)使得能夠?qū)﹄娏髦噶钸M行快速跟蹤，這樣利用機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的功率差值進行功率前饋控制，能夠大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖4 SCES控制策略

SCES吸收的功率

前饋電流指令

在HVRT過程中SCES控制策略不變，當超級電容器檢測到電壓不滿足要求時，SCES退出運行。

3 仿真驗證

基于MATLAB/Simulink搭建了直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，直驅(qū)風電機組額定功率1.5 MW，并網(wǎng)電壓690 V，經(jīng)過升壓變壓器與35 kV電網(wǎng)相連。風電機組和電網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 風電機組仿真參數(shù)

現(xiàn)假定電網(wǎng)電壓在1 s時升高到1.3UN（UN為額定電壓），1 s后電網(wǎng)電壓恢復到額定電壓，所得結(jié)果如圖5—8所示。

圖5為HVRT過程中網(wǎng)側(cè)變流器給定的d軸電流和q軸電流。在HVRT開始階段有功電流大約為500 A。無功電流共分3個階段：第一階段從t=1.0 s至t=1.1 s，無功電流從3 000 A逐漸升高達到4 000 A，這是無功增加的過程；第二階段從t=1.1 s至t=2.0 s，無功電流保持在4 000 A；第三階段從t=2.0 s至t=3.0 s，無功功率減少至3 000 A。此后，SCES切除工作，有功、無功功率恢復正常。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器給定電流

圖6為HVRT過程中并網(wǎng)點電壓。從圖6可以看出，在t=1.0 s時，三相電壓驟升至1.3UN，說明此時風電機組發(fā)生了高電壓故障。并網(wǎng)點的電壓經(jīng)過1.0 s均恢復至額定值。t=2.0 s以后，直驅(qū)風電機組正常運行。

圖6 并網(wǎng)點電壓

圖7為直流母線電壓，額定直流母線電壓Udc，N為1 100 V。在t=1.0 s高電壓故障時，直流母線電壓驟升至1.05Udc，N，約為 1 155 V，隨后逐漸減小，經(jīng)過1.0 s后逐步恢復至Udc,N。相比于傳統(tǒng)方式在直流母線增加卸荷裝置，采用超級電容器卸荷具有更快的響應(yīng)性，直流母線電壓波動性更小。

圖7 直流母線電壓

圖8為HVRT過程中網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率和無功功率，t=1.0 s前系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)，功率因數(shù)為1。高電壓故障后，系統(tǒng)輸出有功功率約為0.9 MW，網(wǎng)側(cè)變流器快速響應(yīng)電壓驟升情況，向系統(tǒng)輸送一定的感性無功，降低并網(wǎng)點電壓使其恢復至額定狀態(tài)，至t=2.0 s高電壓故障結(jié)束，風電機組重新回到正常運行狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對直驅(qū)風電機組，采用SCES實現(xiàn)了風電系統(tǒng)的HVRT功能，得出結(jié)論如下：

（1）利用SCES消耗風力發(fā)電機和電網(wǎng)間的功率差，可實現(xiàn)直驅(qū)風電機組HVRT運行。

圖8 電網(wǎng)側(cè)有功功率與無功功率

（2）分析風電機組高電壓故障過程中變流器的輸出能力，提出了風電機組網(wǎng)側(cè)變流器及SCES協(xié)調(diào)運行的控制方法，可幫助電網(wǎng)電壓快速恢復，通過仿真驗證了所提方法的準確性。

（3）該方法為解決風電機組HVRT問題提供了新的思路，相比于傳統(tǒng)方法，SCES可在復雜環(huán)境下工作，同時可快速恢復有功，應(yīng)用前景廣闊。

（4）當電網(wǎng)電壓驟升時，雙饋風電機組可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線側(cè)過電壓，SCES只能降低直流側(cè)過電壓，不能有效地限制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，因此文中提出的解決方案不適用于雙饋風電機組。