永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組低/高電壓穿越研究

刁瑞軒

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)穿透率的不斷增加，風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響已不容忽視。近期由于并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力而引發(fā)的多次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，己影響到電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組;低/高電壓穿越

采用機(jī)側(cè)變流器控制直流電壓，并根據(jù)故障期間直流電壓的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁功率，消除直流系統(tǒng)兩端有功的不平衡，穩(wěn)定直流電壓，但未考慮電磁功率減小造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升的速度限制問題，且控制過程較為復(fù)雜。

1 概述

目前，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低/高電壓穿越研究大多針對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組，需采用主動(dòng)式或被動(dòng)式來避免風(fēng)機(jī)變流器的過電壓和過電流，雖然可以滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)低高電壓穿越的要求，但存在以下固有問題：1）雙饋電機(jī)變?yōu)椴皇芸氐漠惒桨l(fā)電機(jī)運(yùn)行后，穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍受最大轉(zhuǎn)差率所限而變小，若變槳系統(tǒng)未能快速限制捕獲的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，仍很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升。2）由于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁分別由變流器和電網(wǎng)提供，兩種狀態(tài)的切換會(huì)在低電壓穿越過程中對(duì)電網(wǎng)造成無功沖擊。3）即使在低電壓穿越過程中，網(wǎng)側(cè)變流器保持聯(lián)網(wǎng)，受其容量限制，提供的無功功率主要供給異步發(fā)電機(jī)建立磁場(chǎng)，而對(duì)系統(tǒng)的無功支持很弱。通過全功率變流器并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組PMSG，已被證實(shí)在穿越特性方面更具優(yōu)勢(shì)。其實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越的關(guān)鍵問題在于維持變流器直流環(huán)節(jié)電容電壓的穩(wěn)定。而通過穩(wěn)定直流電壓實(shí)現(xiàn)PMSG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的研究方案主要有：通過在直流側(cè)安裝卸荷電路消納多余的能量：在直流側(cè)安裝儲(chǔ)能裝置，如超級(jí)電容等，快速吞吐有功功率;并聯(lián)輔助變流器增加直流側(cè)功率的輸出通道。上述方法均需增加外部硬件電路，增加了變流器的體積及成本;并且在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于限流狀態(tài)，無法對(duì)電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)的無功支持;在低電壓穿越前后，網(wǎng)側(cè)變流器在直流電壓控制和限流控制之間的切換會(huì)造成直流電壓的波動(dòng)。PMSG風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的傳統(tǒng)控制策略，采用機(jī)側(cè)變流器控制直流側(cè)電壓，而有功和無功的協(xié)調(diào)控制由網(wǎng)側(cè)變流器完成;并從理論上分析所提出控制方法對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響。

2 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組低/高電壓穿越策略

1）在額定風(fēng)速以上，為避免風(fēng)力機(jī)超速，通常采用變槳調(diào)節(jié)限制風(fēng)機(jī)輸入的氣動(dòng)功率，此時(shí)按發(fā)電機(jī)的額定功率控制其輸出的有功功率可實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的恒功率輸出。因此，電網(wǎng)電壓正常時(shí)PMSG控制系統(tǒng)外環(huán)可采用有功功率的閉環(huán)控制，其調(diào)節(jié)輸出量作為發(fā)電機(jī)定子電流軸分量給定;控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)則分別實(shí)現(xiàn)定子軸電流的閉環(huán)控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障使電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓跌落時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器將無法完全輸出發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率，多余的能量將流人直流側(cè)電容進(jìn)行充電，若不采取合適的措施，直流側(cè)電容將充電至很高電壓，這將直接危及并網(wǎng)變流器的安全運(yùn)行。因此，為避免直流鏈過電壓和電網(wǎng)側(cè)變換器過電流，應(yīng)限制由電機(jī)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率。考慮到槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間通常在幾百毫秒乃至秒級(jí)，因此對(duì)于2個(gè)～10個(gè)周期左右的電網(wǎng)短路故障而言，采用變槳調(diào)節(jié)就很難有效限制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。由于發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間可控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，因此在故障過程中可采用限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的方式來限制發(fā)電機(jī)的電磁功率，從而達(dá)到限制發(fā)電機(jī)輸出有功功率的目的。實(shí)現(xiàn)故障清除后發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行控制?？刂葡到y(tǒng)中采用功率限幅處理環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)高于額定風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率的限制。

2）由于永磁直驅(qū)用雙PWM變換。器的運(yùn)行容量要達(dá)到PMSG的額定容量，因此即使電網(wǎng)電壓正常時(shí)也應(yīng)考慮穩(wěn)定控制雙PWM變換器直流鏈電壓的方法。對(duì)于電網(wǎng)故障，當(dāng)故障切除、電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓恢復(fù)時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施使電網(wǎng)側(cè)變換器和電機(jī)側(cè)變換器的功率傳遞達(dá)到平衡，以減小電壓恢復(fù)過程中直流鏈電壓的波動(dòng)。在本文的控制方案中，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常以及電網(wǎng)故障切除、電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓恢復(fù)時(shí)，對(duì)于電網(wǎng)側(cè)變換器將采用協(xié)調(diào)控制方案，即利用電機(jī)側(cè)變換器的功率信息協(xié)調(diào)控制電網(wǎng)側(cè)變換器。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，控制開關(guān)連接端口這時(shí)將作為一個(gè)前饋補(bǔ)償量，與電網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出一起作為網(wǎng)側(cè)變換器電流內(nèi)環(huán)的軸電流給定值，則當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后網(wǎng)側(cè)變換器軸電流的給定值將會(huì)及時(shí)改變，網(wǎng)側(cè)變換器電流內(nèi)環(huán)可以控制軸電流快速跟蹤指令電流，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變換器的輸出功率與電機(jī)側(cè)變換器的輸入功率保持平衡，這十分有利于電壓恢復(fù)時(shí)直流鏈電壓迅速趨于穩(wěn)定，降低直流鏈電壓變化率，為電壓恢復(fù)后發(fā)電系統(tǒng)重新恢復(fù)正常控制奠定基礎(chǔ)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓減小以及網(wǎng)側(cè)變換器最大工作電流的限制將減小電網(wǎng)側(cè)變換器輸出的瞬時(shí)功率，這將造成電機(jī)側(cè)變換器有功功率。與電網(wǎng)側(cè)變換器輸出功率之間的功率偏差增大，這將極大地限制電網(wǎng)側(cè)變換器對(duì)直流鏈電壓的控制作用。針對(duì)電網(wǎng)故障過程中交流勵(lì)磁風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器的控制思想，對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變換器，也可采用電壓跌落時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器按電流內(nèi)環(huán)控制的方法，即故障過程中電流給定分量設(shè)定為反映發(fā)電機(jī)輸出有功功率的前饋量，該前饋量反映了雙PWM變換器與PMSG的功率交換情況，在電壓跌落時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)定子功率的變化及時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)變換器的電流，可最大限度地減小直流鏈電壓的波動(dòng)，有效控制直流鏈電壓在電壓跌落過程中的變化趨勢(shì)，故障過程中控制開關(guān)切換為連接端口電流給定分量設(shè)定為發(fā)電機(jī)輸出有功功率的前饋量。這樣可將直流鏈電壓的波動(dòng)限制在一定范圍內(nèi)，為故障過程中電機(jī)側(cè)變換器的控制提供較為穩(wěn)定的直流鏈電壓支持。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，控制開關(guān)又重新切換到端口，實(shí)現(xiàn)故障清除后網(wǎng)側(cè)變換器的正常運(yùn)行控制，為故障后向電網(wǎng)提供功率支持奠定基礎(chǔ)。綜上所述，完整的適用于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行控制方案電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器均采用常規(guī)矢量控制方案進(jìn)行控制。

3）建議。當(dāng)電網(wǎng)三相對(duì)稱故障發(fā)生后，電機(jī)側(cè)變換器采用電流內(nèi)環(huán)控制方式輸出足夠的定子控制電壓，且其峰值在電機(jī)耐壓限幅范圍之內(nèi)，其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以及輸出有功功率均迅速減小，經(jīng)電機(jī)側(cè)變換器饋入直流側(cè)電容和電網(wǎng)側(cè)變換器的功率減小，這就非常有利于直流側(cè)電容及網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，電機(jī)側(cè)變換器重新采用功率、電流雙閉環(huán)的跟蹤控制模式，使發(fā)電機(jī)輸出額定有功功率，為故障后電網(wǎng)恢復(fù)提供支持，將直流鏈電壓的最大上升變化值限制在額定電壓的10%左右，保證其在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，電網(wǎng)側(cè)變換器重新采用帶前饋的電壓、電流雙閉環(huán)控制模式穩(wěn)定直流鏈電壓，使發(fā)電系統(tǒng)輸出額定有功功率，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

在電網(wǎng)故障時(shí)采用考慮發(fā)電機(jī)功率信息的網(wǎng)側(cè)變換器電流閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓穩(wěn)定控制，從而有效實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越運(yùn)行。本文提出的控制方案也避免了增加多余硬件保護(hù)裝置，為各類電網(wǎng)故障下永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行提供了一種可選的解決思路。

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