永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越研究綜述

馮子木，孫國(guó)強(qiáng)，滕德紅，李群，劉建坤，趙靜波

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的早期階段，受制于硬件與技術(shù)條件，陸上風(fēng)電場(chǎng)一直是投資建設(shè)的主流方向。然而，陸上風(fēng)能波動(dòng)性大、陸上風(fēng)電場(chǎng)占陸地面積大、單機(jī)容量受限等問(wèn)題越來(lái)越制約其發(fā)展。相較之下，海上風(fēng)電具有資源豐富、風(fēng)力穩(wěn)定、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、不占用陸地資源、單機(jī)容量易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前單機(jī)大容量的發(fā)展趨勢(shì)[1]。懸浮式海上平臺(tái)的出現(xiàn)以及海上遠(yuǎn)距離電能傳輸解決方案的提出[2—6]，為遠(yuǎn)海風(fēng)電的發(fā)展提供了思路[7—8]。因此，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量開始呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)[9]。中國(guó)東南沿海的負(fù)荷集中地區(qū)，有著豐富的海上風(fēng)能資源[10—13]，在未來(lái)發(fā)展海上風(fēng)電是解決其用電需求的重要手段。

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(directly-driven permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)相較于雙饋與半直驅(qū)發(fā)電機(jī)，無(wú)需齒輪箱等機(jī)組部件，有效降低了故障率，具有更高的可靠性，且綜合成本較低。未來(lái)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)將以D-PMSG作為主要機(jī)型。為了保障電力系統(tǒng)的安全性與可靠性，低電壓穿越(low voltage ride-through,LVRT)是風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)必須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)[14]。傳統(tǒng)策略使風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)主動(dòng)脫網(wǎng)，保障設(shè)備安全。但大裝機(jī)容量的風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)脫網(wǎng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部潮流大幅轉(zhuǎn)移，觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作，造成電力系統(tǒng)解列運(yùn)行、大范圍停電等嚴(yán)重后果[15—16]。

雖然風(fēng)電并網(wǎng)的LVRT問(wèn)題研究較多，但大多集中于雙饋風(fēng)機(jī)[17]。D-PMSG與雙饋風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在差異[18]，故二者的LVRT策略也存在差異。文中根據(jù)D-PMSG運(yùn)行及其LVRT期間的特點(diǎn)，從已有LVRT策略中篩選出適用于D-PMSG機(jī)組的技術(shù)手段進(jìn)行綜述，評(píng)價(jià)、比較其優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)LVRT策略進(jìn)行分類，總結(jié)其共性與差異，展望未來(lái)的研究方向及工程應(yīng)用前景。

1 LVRT要求

傳統(tǒng)的D-PMSG控制策略通過(guò)機(jī)側(cè)換流器跟蹤功率指令實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，通過(guò)網(wǎng)側(cè)換流器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)和單位功率因數(shù)控制[19—21]。

圖1中，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率Pm；D-PMSG輸出的電磁功率為Ps；經(jīng)機(jī)、網(wǎng)側(cè)換流器變換，通過(guò)直流線路向電網(wǎng)送出的有功功率為Pg[22—23]。穩(wěn)態(tài)時(shí)，若忽略損耗，有Pm=Ps=Pg。當(dāng)電網(wǎng)故障引起電網(wǎng)電壓Ug跌落時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的功率振蕩及換流器自身的限流措施等會(huì)引起電網(wǎng)電流Ig變化，導(dǎo)致D-PMSG網(wǎng)側(cè)換流器輸出功率Pg不穩(wěn)定[19]。由于全功率換流器的隔離作用，在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中，Ps幾乎不變。此時(shí)Pm=Ps≠Pg，直流側(cè)功率無(wú)法平衡，并聯(lián)電容C上的直流電壓抬升并劇烈波動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)脫網(wǎng)[24]。

圖1 D-PMSG結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of D-PMSG

電力相關(guān)部門對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LVRT提出了明確要求。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的一定范圍內(nèi)，必須在保證自身系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下不脫網(wǎng)運(yùn)行，并應(yīng)能夠向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，幫助電網(wǎng)恢復(fù)電壓[25—26]。風(fēng)電場(chǎng)LVRT要求如圖2所示，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至額定值的20%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms。在電壓跌落2 s內(nèi)，若并網(wǎng)點(diǎn)電壓能恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行[27—28]。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓在圖2中電壓曲線上方時(shí)，電網(wǎng)要求風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓在圖2中電壓曲線下方時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組允許從電網(wǎng)切出[29—30]。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)LVRT要求Fig.2 LVRT requirement of wind farm

目前一些風(fēng)力發(fā)電發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)制定了新的并網(wǎng)導(dǎo)則，定量規(guī)定了風(fēng)電場(chǎng)的脫網(wǎng)條件。只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至低于相應(yīng)的新規(guī)曲線時(shí)才允許脫網(wǎng)，并且風(fēng)電場(chǎng)必須具備向電網(wǎng)提供無(wú)功功率的能力[31—32]?，F(xiàn)有提升LVRT能力的手段可分為：在風(fēng)電場(chǎng)送出的直流側(cè)加裝硬件保護(hù)電路；在并網(wǎng)點(diǎn)加裝電壓調(diào)節(jié)設(shè)備；在風(fēng)電場(chǎng)加裝儲(chǔ)能設(shè)備；通過(guò)改進(jìn)的協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)LVRT。

2 直流側(cè)加裝硬件保護(hù)電路

加裝硬件保護(hù)電路是最常見的提升風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的技術(shù)手段，其代表是撬棒(Crowbar)電路。Crowbar電路通過(guò)在線路中構(gòu)建額外通路消納不平衡功率，其應(yīng)用范圍涵蓋所有涉及功率不平衡問(wèn)題的場(chǎng)合。因此，在D-PMSG全功率換流器內(nèi)，或者風(fēng)電場(chǎng)的直流送出側(cè)，可通過(guò)加裝Crowbar電路提升風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力。

2.1 常見Crowbar電路及應(yīng)用

Crowbar電路通常通過(guò)斬波(Chopper)電路的形式實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[33]從應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方面，對(duì)Chopper電路集中安裝在并網(wǎng)點(diǎn)交流側(cè)或直流側(cè)的技術(shù)方案進(jìn)行了對(duì)比。與AC Chopper方案相比，DC Chopper方案具有盈余功率與耗能精準(zhǔn)匹配、系統(tǒng)波動(dòng)小、恢復(fù)時(shí)間短、設(shè)備投資少、設(shè)備尺寸小、穩(wěn)態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。裝設(shè)在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的AC Chopper和直流線路上的DC Chopper接入示意如圖3所示。若接入AC Chopper，其端口直接接入風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器的出口交流母線；若接入DC Chopper,其2個(gè)端口并聯(lián)接入換流器間的直流線路。

圖3 AC Chopper和DC Chopper接入位置示意Fig.3 Schematic diagram of AC Chopper and DC Chopper insert locations

Crowbar電路通過(guò)増加額外的有功能量釋放回路，減小注入到直流母線的不平衡能量，避免直流母線過(guò)電壓。但在消耗不平衡能量的同時(shí)，切入的Crowbar硬件保護(hù)電路也屏蔽了換流器控制系統(tǒng)對(duì)直流電壓的控制以及直流兩側(cè)間的聯(lián)系，導(dǎo)致機(jī)側(cè)換流器無(wú)法有效控制風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的輸出功率，降低了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。若故障時(shí)間較長(zhǎng)，易出現(xiàn)Crowbar電路頻繁投切問(wèn)題，直流電壓往復(fù)振蕩，有功功率在系統(tǒng)和換流器間來(lái)回流動(dòng)，不利于系統(tǒng)恢復(fù)。Crowbar電路的主要器件是耗能電阻，故障期間多余的能量以熱能形式直接耗散，能量利用效率低，且對(duì)器件熱穩(wěn)定性要求高。

為獲得更佳的性能，有研究嘗試對(duì)Crowbar電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[34]為緩解感性元件的瞬態(tài)過(guò)電壓，提出2種改進(jìn)思路。一是將Chopper電路替換為半橋型電路，實(shí)現(xiàn)電路的軟開關(guān)；二是在換流器的每個(gè)子模塊上安裝制動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)靈活控制。前者的控制策略較為復(fù)雜，后者則不適用于已封裝完成的子模塊。

2.2 小結(jié)

Crowbar電路是最常規(guī)的LVRT技術(shù)，是換流器與風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的保護(hù)裝置。受限于Crowbar電路的作用機(jī)理，其無(wú)法作為電源對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行施加主動(dòng)影響。未來(lái)的主要研究方向是Crowbar的開關(guān)策略和阻值設(shè)計(jì)對(duì)電力系統(tǒng)恢復(fù)特性的影響及其與其他控制策略配合的可能性[35—36]。

3 并網(wǎng)點(diǎn)加裝電壓調(diào)節(jié)設(shè)備

加裝硬件保護(hù)電路的方式是在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)增加設(shè)備解決LVRT問(wèn)題，而在電網(wǎng)側(cè)加裝附屬設(shè)備提升風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的思路是將電網(wǎng)側(cè)的電壓大幅跌落變?yōu)轱L(fēng)機(jī)送出端電壓的小幅跌落，進(jìn)而降低對(duì)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)LVRT能力的要求?？刹捎玫母綄僭O(shè)備主要包括動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(dynamic voltage regulator,DVR)以及串聯(lián)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻(series dynamic braking resistor,SDBR)。

3.1 應(yīng)用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要指靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator,STATCOM)等響應(yīng)快速的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備[37]。SVC和STATCOM可以在不同程度上提高風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度[38—39],并從兩方面輔助風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)LVRT。一是在電壓跌落時(shí)快速注入無(wú)功電流，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓；二是對(duì)于不平衡故障，將不平衡跌落轉(zhuǎn)化為易于處理的三相平衡跌落。

通用SVC的接入示意如圖4所示。風(fēng)電場(chǎng)中常采用的SVC設(shè)備是晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)，其通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角度[40]，調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)的并聯(lián)阻抗大小，在0到滿發(fā)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功電流。

圖4 SVC接入示意Fig.4 Schematic diagram of SVC accessed

STATCOM的接入示意如圖5所示。相比于SVC，STATCOM響應(yīng)速度快，能夠承受更長(zhǎng)的暫態(tài)過(guò)程，且補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流大小不受電壓跌落的影響[37]。由于STATCOM是基于電壓源換流器，其可通過(guò)更精確的解耦控制實(shí)現(xiàn)更多的控制方式組合[41]。

圖5 STATCOM接入示意Fig.5 Schematic diagram of STATCOM accessed

采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的缺點(diǎn)是，裝置切入的瞬間會(huì)向電網(wǎng)注入較大的電流以滿足電壓恢復(fù)過(guò)程中所需的能量，而瞬間的大電流會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 串聯(lián)DVR

DVR相當(dāng)于串聯(lián)在電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)受控電壓源，對(duì)其采用適當(dāng)控制，可使輸出電壓抵消電力系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)負(fù)荷電壓造成的不良影響[42—43]。

與切入STATCOM需要瞬時(shí)注入大電流相比，DVR的優(yōu)勢(shì)在于只需注入較少的能量即可滿足電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的LVRT要求。DVR的WINDFACT技術(shù)較為典型[44]，如圖6所示。DVR投入時(shí)，開關(guān)1開斷。在正常運(yùn)行狀態(tài)，開關(guān)2均閉合，模塊3處于導(dǎo)通狀態(tài)，所有低壓側(cè)電力電子元件均處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，模塊3進(jìn)入開斷模式，低壓側(cè)受控設(shè)備接入系統(tǒng)，并在并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生額外電壓，輔助風(fēng)電場(chǎng)重建并網(wǎng)點(diǎn)電壓。當(dāng)DVR不投入系統(tǒng)時(shí)，開關(guān)1閉合。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)需要被切出系統(tǒng)時(shí)，開關(guān)1與開關(guān)2均開斷。

圖6 DVR的WINDFACT技術(shù)Fig.6 WINDFACT technology of DVR

3.3 應(yīng)用SDBR

文獻(xiàn)[45—46]通過(guò)安裝SDBR使風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障時(shí)盡量維持功率送出，SDBR接入示意如圖7所示[47—48]。SDBR的工作原理是：在電網(wǎng)故障時(shí)，通過(guò)將電阻元件接入電網(wǎng)，增加機(jī)端到接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻，緩解機(jī)端的電壓跌落，并通過(guò)電阻耗能形式消納多余有功功率。文獻(xiàn)[49]在此基礎(chǔ)上提出了靈活串聯(lián)制動(dòng)電阻(flexible series braking resistors,FSBR)，F(xiàn)SBR結(jié)構(gòu)如圖8所示。相較于傳統(tǒng)SDBR，F(xiàn)SBR增加了機(jī)端電壓與LVRT過(guò)程的可控性。文獻(xiàn)[50]將電阻換成了電容器，在電網(wǎng)出口處采用電容器串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒?，緩解作用到風(fēng)電場(chǎng)上的電壓降落。相較于電阻，電容的優(yōu)勢(shì)是損耗小、電壓抬升效果明顯，但弊端是可能引起過(guò)電壓，且會(huì)影響線路保護(hù)動(dòng)作。

圖7 SDBR接入示意Fig.7 Schematic diagram of SDBR accessed

圖8 FSBR結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of FSBR

3.4 小結(jié)

電壓調(diào)節(jié)裝置可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)緩解并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落幅度，通過(guò)保證風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的功率輸送能力使風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)LVRT。其缺陷在于，基于無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)手段無(wú)法從根本上解決功率不平衡問(wèn)題。在近并網(wǎng)點(diǎn)故障嚴(yán)重時(shí)，依然無(wú)法支撐電壓。今后，功能更全面、占地面積更小的設(shè)備以及更加靈活的接入與控制策略將成為主要的研究方向。

4 風(fēng)電場(chǎng)加裝儲(chǔ)能設(shè)備

在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)或電網(wǎng)側(cè)加裝設(shè)備可以改善電壓跌落，但不能很好地應(yīng)對(duì)LVRT過(guò)程中的功率不平衡問(wèn)題。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，有研究提出使用充放電迅速、損耗低的新一代儲(chǔ)能設(shè)備替代耗能電阻吸收不平衡功率，再通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒛芰炕厮碗娋W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)LVRT的同時(shí)將損耗降至最低。

4.1 超導(dǎo)儲(chǔ)能

文獻(xiàn)[51]提出應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage，SMES)解決風(fēng)電場(chǎng)LVRT過(guò)程中的直流母線過(guò)電壓?jiǎn)栴}。SMES是近代新生的儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有存儲(chǔ)能量密度高以及無(wú)損耗的優(yōu)良特性[52]。相較于傳統(tǒng)直流保護(hù)系統(tǒng)，SMES可以大電流充放電，具備優(yōu)良的可控性與高效的穩(wěn)壓能力，可在故障時(shí)實(shí)現(xiàn)電能的快速消納。SMES接入示意如圖9所示。在故障排除后，網(wǎng)側(cè)換流器可根據(jù)SMES的儲(chǔ)能狀態(tài)與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓情況，判斷是否執(zhí)行恢復(fù)策略?；謴?fù)過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)換流器以SMES的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為基準(zhǔn)，控制向電網(wǎng)輸出的有功量，進(jìn)而改變直流母線電壓。為了穩(wěn)定直流電壓，SMES會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的充放電狀態(tài)。當(dāng)SMES的狀態(tài)回歸正常水平后，網(wǎng)側(cè)換流器轉(zhuǎn)回正常運(yùn)行控制策略。全恢復(fù)流程如圖10所示[53]。

圖9 SMES接入示意Fig.9 Schematic diagram of SMES accessed

圖10 基于網(wǎng)側(cè)換流器的SMES電能平衡策略Fig.10 The balance strategy of SMES power based on grid side converter

4.2 超級(jí)電容

基于超級(jí)電容儲(chǔ)能(supercapacitor energy storage system,SCESS)的LVRT將Crowbar中的電阻器件替換成SCESS，避免器件發(fā)熱的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的LVRT能力[54]。SCESS接入系統(tǒng)示意如圖11所示。由于目前超導(dǎo)條件要求高，SMES設(shè)備的投入和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高。SCESS在降低儲(chǔ)能環(huán)境要求的同時(shí)，具備響應(yīng)速度快、可循環(huán)使用次數(shù)多和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，因此當(dāng)前SCESS應(yīng)用于D-PMSG風(fēng)電場(chǎng)的可行性更高。當(dāng)LVRT結(jié)束后，可與網(wǎng)側(cè)換流器的功率指令配合，將SCESS中的能量釋放給電網(wǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)回到初始狀態(tài)[55]。

圖11 SCESS接入示意Fig.11 Schematic diagram of SCESS accessed

4.3 小結(jié)

儲(chǔ)能技術(shù)不僅是解決LVRT的重要策略，也是解決新能源消納問(wèn)題的重要技術(shù)手段。在利用新一代儲(chǔ)能設(shè)備解決LVRT的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)利用其控制和調(diào)節(jié)層面的延展性，主動(dòng)對(duì)系統(tǒng)施加有利影響。比如通過(guò)配合適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)使風(fēng)電場(chǎng)具備參與調(diào)頻的能力[56]。當(dāng)前該方向的技術(shù)難題除了設(shè)備制造安裝維護(hù)外，還有在海上這類特殊應(yīng)用場(chǎng)合下儲(chǔ)能狀態(tài)的維持問(wèn)題，今后可考慮利用海上懸浮波浪發(fā)電等就地發(fā)電裝置解決[57]。

5 改進(jìn)型控制策略

上述通過(guò)加裝硬件設(shè)備解決LVRT問(wèn)題的方法均會(huì)增加實(shí)際制造、運(yùn)行和維護(hù)成本。因此有研究嘗試通過(guò)改進(jìn)既有設(shè)備的運(yùn)行控制模式，直接或間接解決功率不平衡問(wèn)題或?qū)崿F(xiàn)與外部設(shè)備類似的功能。由于控制方式設(shè)計(jì)靈活、種類繁多，文中僅從控制對(duì)象上對(duì)該類方法進(jìn)行總結(jié)。

5.1 變槳距角控制

變槳距角的控制邏輯如圖12所示。Pe為風(fēng)力機(jī)實(shí)際發(fā)出的電磁功率；Pe,ord為系統(tǒng)電磁功率的指令值；θmax為最大可調(diào)節(jié)槳距角；θord為槳距角控制指令。在檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、有功送出能力下降時(shí)，可通過(guò)改變槳距角減小風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲量，從而減小D-PMSG出力，緩解直流線路過(guò)電壓。文獻(xiàn)[58]采用了一種獨(dú)立槳距角控制模式，在傳統(tǒng)槳距角控制的基礎(chǔ)上提高了調(diào)度靈活性，同時(shí)避免了個(gè)別執(zhí)行器故障影響系統(tǒng)整體可靠性。

圖12 追蹤功率指令的槳距角控制邏輯Fig.12 The pitch angle control logic following the power order

然而變槳距角控制存在固有缺陷，從發(fā)現(xiàn)故障到變槳距角開始調(diào)節(jié)存在響應(yīng)時(shí)間。變槳距角調(diào)節(jié)是通過(guò)風(fēng)機(jī)上的專用電機(jī)實(shí)現(xiàn)，與電力系統(tǒng)的故障響應(yīng)不在同一時(shí)間尺度，調(diào)節(jié)功率速度慢，無(wú)法達(dá)到快速響應(yīng)要求，因此該方法通常只作為輔助控制手段。在應(yīng)對(duì)非瞬時(shí)性故障，需要對(duì)輸出功率做長(zhǎng)期調(diào)節(jié)時(shí)，該方法效果較好[59—60]。

5.2 機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)換流器控制方式調(diào)整

有研究提出可改變機(jī)、網(wǎng)側(cè)換流器的控制模式，充分發(fā)揮全功率換流器作用，提升風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力[61—62]。該策略采用與傳統(tǒng)方式相反的控制模式，通過(guò)機(jī)側(cè)換流器控制直流母線電壓，通過(guò)網(wǎng)側(cè)換流器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率追蹤[63—65]。該方案下機(jī)側(cè)換流器的控制策略如圖13所示。比較直流側(cè)電壓Udc與其參考值Udc,ref、交流側(cè)電壓Uac與其參考值Uac,ref后，經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)得到電流dq軸分量的指令值。經(jīng)有功優(yōu)先限流控制后，電流指令值與實(shí)際電流dq分量Id，Iq作比較，經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)后輸出電壓dq軸指令值Vd,ord，Vq,ord到機(jī)側(cè)換流器。

圖13 機(jī)側(cè)電壓控制策略Fig.13 Control scheme of machine side voltage

該方案下網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略如圖14所示，分為有功優(yōu)先控制模式和無(wú)功優(yōu)先控制模式。

圖14 網(wǎng)側(cè)功率控制策略Fig.14 Control scheme of grid side power

圖14中,Pmppt,ord為風(fēng)機(jī)采用最大功率跟蹤策略的電磁功率指令值；Qref為根據(jù)需要自定的無(wú)功功率指令;Q為實(shí)發(fā)無(wú)功功率值;Upcc,nom為正常運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓;Upcc為實(shí)際并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，用于低電壓判斷;Id,Iq為實(shí)際電流的dq軸分量;Vd,ord,Vq,ord為輸出到換流器的電壓指令。正常運(yùn)行時(shí)采用有功優(yōu)先控制模式，限流策略優(yōu)先限制無(wú)功電流，保證有功功率的有效追蹤。在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器將被調(diào)整運(yùn)行在無(wú)功優(yōu)先狀態(tài)，機(jī)側(cè)不平衡功率對(duì)直流母線充電，使直流母線電壓升高。檢測(cè)到電壓升高后，機(jī)側(cè)換流器及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，降低電磁功率輸出[66—67]，保證直流側(cè)的功率平衡與電壓穩(wěn)定。此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電磁功率將小于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，即不平衡能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子機(jī)械能[68]。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)后，可通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗葬尫胚^(guò)剩的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常水平。

采用轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能存在弊端，當(dāng)電壓跌落程度較深或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，可能超出安全運(yùn)行范圍。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速臨界時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將無(wú)法繼續(xù)對(duì)有功輸出進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)。若在正常運(yùn)行中用機(jī)側(cè)換流器平衡直流電壓，風(fēng)速波動(dòng)可能直接導(dǎo)致直流電壓不穩(wěn)定。因此僅建議在故障狀態(tài)下進(jìn)行控制策略切換。

文獻(xiàn)[69]提出在LVRT期間，使網(wǎng)側(cè)換流器運(yùn)行在STATCOM模式，實(shí)現(xiàn)與加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備相似的功能。文獻(xiàn)[70—71]提出利用虛擬同步機(jī)技術(shù)控制常態(tài)下的風(fēng)電場(chǎng)機(jī)、網(wǎng)側(cè)換流器的運(yùn)行，在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓跌落時(shí)，通過(guò)模擬系統(tǒng)慣性實(shí)現(xiàn)LVRT。文獻(xiàn)[72]提出保持電網(wǎng)側(cè)換流器控制策略不變，通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)側(cè)升頻和直流側(cè)電壓降低，進(jìn)而快速降低外送的電磁功率，實(shí)現(xiàn)LVRT。

也有研究提出，機(jī)、網(wǎng)側(cè)換流器可與其他控制方法協(xié)調(diào)配合，通過(guò)適當(dāng)?shù)捻攲涌刂撇呗垣@得更好的效果。文獻(xiàn)[73]以模糊控制策略作為頂層策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)側(cè)換流器與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)控制，利用儲(chǔ)能裝置快速吸收不平衡功率，同時(shí)在可控范圍內(nèi)減小機(jī)側(cè)換流器輸出的電磁功率。文獻(xiàn)[74]提出將換流器控制、轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能控制以及Crowbar電路相聯(lián)合的LVRT模式，由網(wǎng)側(cè)換流器提供無(wú)功支撐網(wǎng)側(cè)電壓，由轉(zhuǎn)子側(cè)慣性儲(chǔ)能和Crowbar電路消納不平衡功率。

5.3 小結(jié)

改變控制策略的LVRT技術(shù)無(wú)需增加設(shè)備，只需改變既有設(shè)備運(yùn)行模式，因此具有較大的設(shè)備成本優(yōu)勢(shì)。但由于沒(méi)有實(shí)體設(shè)備支撐，其能應(yīng)對(duì)的情況有限，響應(yīng)特性受系統(tǒng)影響較大。將控制策略疊加雖可收獲良效，但增加了控制層復(fù)雜度，易影響執(zhí)行效率，降低了系統(tǒng)的可靠性。

6 方案比較與應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，一方面，目前D-PMSG主要應(yīng)用在海上風(fēng)電場(chǎng)，其LVRT策略需滿足復(fù)雜度低、可靠性高的要求；另一方面，今后采用級(jí)聯(lián)直流升壓方式的全直流風(fēng)電場(chǎng)將會(huì)逐漸增多[75—78]，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的直流線路占比大幅增加。因此應(yīng)優(yōu)先考慮可直接作用在直流側(cè)的LVRT策略。各方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 LVRT策略比較Table 1 The comparsion of LVRT schemes

總體來(lái)看，解決LVRT問(wèn)題宜采用硬件策略為主、控制策略為輔的方式，并以能夠快速消納不平衡功率作為基本要求。具體如下：

(1) 可控耗能設(shè)備應(yīng)作為保護(hù)方案使用。在安裝可控耗能設(shè)備的基礎(chǔ)上，可再配置改進(jìn)型換流器應(yīng)對(duì)較小的電壓跌落。

(2) 加裝電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的目的應(yīng)是服務(wù)電網(wǎng)為主，服務(wù)風(fēng)電場(chǎng)為輔。完全針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)配置的電壓調(diào)節(jié)設(shè)備性價(jià)比低、局限性大，在未來(lái)將會(huì)逐漸減少。

(3) 在底層有硬件支撐的前提下，改進(jìn)的換流器控制方法可作為一般LVRT問(wèn)題的主策略。應(yīng)在保證良好效果的同時(shí)，盡可能簡(jiǎn)化控制層。

(4) 儲(chǔ)能技術(shù)是未來(lái)解決LVRT問(wèn)題的主要手段。儲(chǔ)能設(shè)備不僅可以與硬件設(shè)備配合，還可以通過(guò)控制層實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度。在成本允許的前提下，宜優(yōu)先采用儲(chǔ)能技術(shù)解決LVRT問(wèn)題。

7 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)D-PMSG的LVRT策略應(yīng)做到調(diào)節(jié)與保護(hù)能力并重，在做到應(yīng)急響應(yīng)的同時(shí)，也能改善系統(tǒng)運(yùn)行特性。收效良好的LVRT策略不只是多種方法的簡(jiǎn)單雜糅，而應(yīng)具備規(guī)范的技術(shù)體系。

本文得到國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目“基于可控移相器(TCPST)的柔性交流潮流運(yùn)行控制技術(shù)研究”(J2019135)資助，謹(jǐn)此致謝！