超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力研究

李娟，王鵬，李方媛，胡陽，董光睿

（1.東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)佳木斯市供電公司，黑龍江 佳木斯 154002）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，清潔可再生能源的開發(fā)和研究受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。雙饋風(fēng)電機(jī)組（doubly fed induction generator，DFIG）因其所需變流器容量?jī)H占系統(tǒng)容量的25%-30%，且其具有變速恒頻方式、功率獨(dú)立解耦控制等優(yōu)點(diǎn)，在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中受到了大范圍的研究和應(yīng)用。

風(fēng)電在電力系統(tǒng)中滲透率日益增高，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性的要求也在不斷提升[1-2]。目前已經(jīng)要求并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組必須具有良好的低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力。風(fēng)電機(jī)組不但在電網(wǎng)電壓發(fā)生低電壓故障時(shí)間范圍內(nèi)不允許脫網(wǎng)運(yùn)行，而且還要在故障期間內(nèi)要向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)電壓[3-4]。目前，DFIG 的LVRT 能力主要通過3 種方法來提高的：1）改進(jìn)故障期間變流器的控制，這種方法經(jīng)濟(jì)性比較好，不需要額外的投資，但是當(dāng)發(fā)生比較嚴(yán)重的低電壓故障時(shí)，僅通過改進(jìn)風(fēng)機(jī)控制策略不能滿足低電壓穿越要求[5]。文獻(xiàn)[6]采用基于舒茨—基布遜法來抑制雙饋風(fēng)機(jī)直流側(cè)過電壓，但是并沒有對(duì)無功功率進(jìn)行控制；2）增加硬件控制電路，與1）相比增設(shè)硬件電路效果更好，但是這種方法在低電壓故障期間會(huì)改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，不利于系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，而且投資成本也有所提高[9-11]；3）結(jié)合風(fēng)機(jī)的改進(jìn)控制策略和硬件控制電路能更有效實(shí)現(xiàn)LVRT，文獻(xiàn)[12-13]提出一種利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，減小低電壓故障期間轉(zhuǎn)子故障電流對(duì)直流母線的沖擊，同時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)的不平衡能量將直流母線電壓控制在允許范圍之內(nèi)，從而有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越。但是該策略并沒有考慮故障切除后儲(chǔ)能裝置釋放電能的過程，不利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]采用的方式是利用通過控制SMES快速吞吐電超導(dǎo)儲(chǔ)能元件并聯(lián)到直流側(cè)，實(shí)現(xiàn)能達(dá)到穩(wěn)定直流母線電容電壓的目的，但是該策略在故障期間僅僅通過機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行無功電壓控制，忽略了網(wǎng)側(cè)變流器的無功補(bǔ)償能力，大大削減了風(fēng)機(jī)的LVRT 能力。文獻(xiàn)[15]通過串聯(lián)改進(jìn)型Crowbar電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑制故障期間轉(zhuǎn)子浪涌電流。此方法能有效抑制轉(zhuǎn)子過電流并利用電容發(fā)出無功來減小DFIG 在故障期間從電網(wǎng)吸收的無功功率，同時(shí)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略進(jìn)行改進(jìn)為系統(tǒng)提供一定的無功支撐，但Crowbar 的投入存在一定的時(shí)間延遲，直流側(cè)電壓抑制效果因延遲的影響而導(dǎo)致效果不理想。文獻(xiàn)[16]采用轉(zhuǎn)子Crowbar 電路和DC?chopper 電路，通過改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器無功電壓控制策略來完成DFIG 的LVRT，此方法中由于直流側(cè)過電壓的能量被卸荷電路消耗，造成了風(fēng)機(jī)有功輸出恢復(fù)減慢，不利于系統(tǒng)有功恢復(fù)。

針對(duì)上述方法中抑制直流過電壓，無功控制以及經(jīng)濟(jì)性差等問題，本文在建立DFIG 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過分析直流側(cè)在故障時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償要求，建立雙通道模式，對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器和機(jī)側(cè)換流器進(jìn)行了可行性的優(yōu)化。短路故障切除后，超級(jí)電容積蓄的電能需要輸出平衡，提出了網(wǎng)側(cè)變流器電壓功率協(xié)調(diào)控制。最后采用Matlab/Simulink 進(jìn)行算例仿真分析，驗(yàn)證該方法使雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力得到極大的加強(qiáng)。

1 雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

1.1 DFIG的電壓方程

文獻(xiàn)[17-18]采用定子、轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)慣例，則雙饋風(fēng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子和變流器直流側(cè)母線電壓方程[19-20]公式為

式中：Vs、Vr、is、ir、ψs、ψr分別為風(fēng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流和磁鏈；Eg為電網(wǎng)電壓；ig、rg、Lg分別為網(wǎng)側(cè)變流器的電流、電阻以及電感；Vdc、Cdc為直流側(cè)母線電壓和直流電容；Pg和Pr為輸入網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的瞬時(shí)有功功率；Lr、Ls、Lm為轉(zhuǎn)子、定子和勵(lì)磁繞組的等效電感；Rr、Rs為轉(zhuǎn)子和定子的等效電阻；ω0、ωr、ωg、ωs分別為風(fēng)機(jī)定子角頻率、轉(zhuǎn)子角頻率、電網(wǎng)角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率。

雙饋風(fēng)力發(fā)并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1，DFIG 的等效電路模型見圖2。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grid connection structure diagram of double?fed wind turbine

圖2 雙饋風(fēng)機(jī)等值電路Fig.2 Equivalent circuit of double?fed fan

網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在傳統(tǒng)控制模式中，分別采用的是電網(wǎng)電壓定向控制和定子磁鏈定向的矢量控制。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)公式為

1.2 對(duì)稱故障下DFIG的直流側(cè)電壓分析

當(dāng)電網(wǎng)突然發(fā)生短路故障時(shí)定子端電壓矢量[16]公式為

式中：Vs為機(jī)端電壓在正常情況下的值；α為Vs的跌落系數(shù)。

在忽略定子電阻的情況下該方程可以得到

在忽略轉(zhuǎn)子電流的瞬間變化的情況下，轉(zhuǎn)子電壓可用定子電壓公式為

由上面分析可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)定子端直接短路時(shí)，則定子端電壓降低為0，此時(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈變公式為

根據(jù)公式（2）可得雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流圖2 中的ir公式為

發(fā)生機(jī)端三相短路時(shí)，圖1 中轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓電流公式為

忽略線路和開關(guān)損耗，圖1 中機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器瞬時(shí)功率可分別表示為

直流母線電壓平衡關(guān)系公式為

當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)式（12）有Pg=Pr，直流側(cè)母線不會(huì)發(fā)生過電壓的現(xiàn)象，但當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)處發(fā)生低電壓故障時(shí)，機(jī)端電壓Vs迅速跌落。當(dāng)Vs=0 時(shí)，風(fēng)機(jī)發(fā)生最嚴(yán)重短路，結(jié)合式（10）和式（11）可知，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的電壓控制會(huì)失效，造成兩側(cè)變流器之間的功率將嚴(yán)重不平衡，直流側(cè)電壓由于兩側(cè)的功率失衡而發(fā)生過電壓，影響電機(jī)的控制，甚至?xí)舸╇娙轃龤ё兞髌?，使風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

2 含有超級(jí)電容的雙饋風(fēng)機(jī)模型

由上面分析可知，直流側(cè)過電壓是風(fēng)機(jī)在電壓跌落期間，兩側(cè)存在嚴(yán)重不平衡功率。因此提出超級(jí)電容經(jīng)隔離型DC/DC 變換器連接到直流側(cè)的控制方案，以此來平衡不平衡功率。

含有超級(jí)電容雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)力裝置，異步發(fā)電機(jī)以及兩個(gè)背靠背的PWM變流器組成，超級(jí)電容通過直流變換器并在風(fēng)機(jī)直流側(cè)見圖3。當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致直流側(cè)電壓變化時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)起到快速蓄能或消耗多余能量的作用以解決直流側(cè)電壓過高或過低產(chǎn)生的能量不匹配問題。

圖3 帶有超級(jí)電容的雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)Fig.3 Double?fed fan power generation system with super capacitor

2.1 超級(jí)電容連接DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，本文采用隔離型全橋DC/DC 變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電的變換拓?fù)洹sc為低壓側(cè)超級(jí)電容兩端的電壓，Vdc為高壓側(cè)直流母線電壓。變換器先進(jìn)行PWM 移相控制，再進(jìn)行不控整流，利用隔離變壓器進(jìn)行能量傳送，因?yàn)橐肓烁綦x變壓器，通過調(diào)節(jié)變壓器的變比就可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)電壓的調(diào)整；在變換器中，開關(guān)管電壓和電流應(yīng)力小因此很容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，具有較高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

變換器處于Buck 對(duì)超級(jí)電容充電模式時(shí)，S1、S2、S3、S4工作在逆變狀態(tài)。變換器處于Boost 時(shí)，S5-S8工作在逆變狀態(tài)，S1-S4為整流狀態(tài)。

圖3 虛線框表示超級(jí)電容等效電路模型，其吸收或釋放的能量受到外部電壓影響，公式為

式中：n、m為串聯(lián)和并聯(lián)電容器的數(shù)量；Cf為單體電容；U1、U2為超級(jí)電容的初始電壓和狀態(tài)電壓。

2.2 加入超級(jí)后直流側(cè)的數(shù)學(xué)模型

如圖3 所示，直流側(cè)流向超級(jí)電容的功率為PSC，根據(jù)直流側(cè)電壓模型則可知

則那么直流側(cè)電流表達(dá)式為

3 含有超級(jí)電容雙饋風(fēng)機(jī)控制策略

3.1 機(jī)側(cè)無功功率優(yōu)先控制

風(fēng)機(jī)定子側(cè)輸出的無功功率受機(jī)側(cè)變流器電流的值限制，風(fēng)機(jī)定子側(cè)發(fā)出功率與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流關(guān)系為

在機(jī)側(cè)變流器最大電流限制的條件下，公式為

式中，irmax為機(jī)側(cè)變流器允許通過電流的最大值。上式經(jīng)整理可得公式為

式中，Xs、Xm為定子側(cè)的自阻抗、互阻抗。

在有功功率Ps確定的情況下，無功功率調(diào)節(jié)范圍為

其中無功功率最大值和最小值為

1）正常運(yùn)行情況下，機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦控制和最大功率追蹤，此時(shí)輸出的無功為0。由上面分析可知：雙饋風(fēng)電機(jī)組無功與有功輸出能力相互影響，當(dāng)d軸電流確定時(shí)，其q軸無功電流的輸出滿足公式

式中：idref1、iqref1為傳統(tǒng)控制中機(jī)側(cè)變流器在磁鏈定向控制下的d軸有功電流與q軸無功電流參考值；idref和iqref為有功與無功電流參考值。

2）電網(wǎng)發(fā)生短路情況時(shí)，電網(wǎng)需風(fēng)機(jī)向系統(tǒng)輸送一定量無功支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。由于超級(jí)電容平衡了故障時(shí)直流側(cè)的不平衡功率，機(jī)側(cè)變流器不會(huì)因?yàn)橄蛑绷鱾?cè)輸入過多的功率而造成直流側(cè)過電壓。因此在儲(chǔ)能系統(tǒng)投入時(shí)，機(jī)側(cè)的變流器應(yīng)當(dāng)先確定無功功率之后再確定有功，提高風(fēng)機(jī)故障期間無功發(fā)出能力。投入超級(jí)電容后d軸電流和q軸電流確定關(guān)系為

式中：idref2、iqref2為無功功率優(yōu)先控制下的無功電流與有功電流參考值。

機(jī)側(cè)變流器控制策略根據(jù)超級(jí)電容的投入情況，結(jié)合式（21）和式（22）從而確定機(jī)側(cè)的控制模式，見圖4。

圖4 機(jī)側(cè)變流器控制策略Fig.4 Control strategy of generator?side converter

3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能的隔離型全橋DC-DC變換器控制策略

根據(jù)式（15）和式（16）可知，當(dāng)直流電壓超過給定參考值時(shí)，超級(jí)電容蓄能系統(tǒng)吸收直流側(cè)不平衡功率并儲(chǔ)存，變換器應(yīng)工作在Buck 模式，從而降低直流電壓至穩(wěn)定范圍；超級(jí)電容釋放儲(chǔ)存的能量時(shí)，變換器應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽oost 模式，將超級(jí)電容故障期間存儲(chǔ)的能量輸出至直流側(cè)，使直流電壓升高至穩(wěn)定范圍，從而最終達(dá)到抑制直流過電壓的作用。

隔離型全橋DC/DC 變換器的控制見圖5。對(duì)超級(jí)電容的端電壓VSC、直流母線電壓Vdc和電感L1的電流iSC進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)控制。當(dāng)變換器處在Boost 放電模式下，VSC作為電壓外環(huán)，iSC作為電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行雙閉環(huán)PI 控制。Buck 充電模式下，直流母線電壓Vdc為外環(huán)，iSC為內(nèi)環(huán)進(jìn)行雙閉環(huán)控制。

圖5 隔離型全橋DC/DC變換器控制Fig.5 Isolated full bridge DC/DC converter control

3.3 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

1）電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，且輸出有功為額定值。

2）電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時(shí)，僅通過機(jī)側(cè)變流器的無功優(yōu)先控制實(shí)現(xiàn)低電壓穿越效果不理想。通過引入電網(wǎng)電壓與給定電壓的電壓差ΔV，然后通過PI 控制器來確定網(wǎng)側(cè)變流器無功參考值，實(shí)際無功功率跟蹤無功參考值經(jīng)PI 控制器后得到無功電流的參考值。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)無功電流的參考值就會(huì)變大，從而支撐電網(wǎng)電壓。

3）電網(wǎng)故障切除后，網(wǎng)側(cè)變流器需釋放超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能。網(wǎng)側(cè)變流器采用有功功率協(xié)調(diào)的控制來平衡電能，實(shí)現(xiàn)輸出有功的快速恢復(fù)，將超級(jí)電容功率和機(jī)側(cè)電流器的功率作為前饋引入到網(wǎng)側(cè)控制中，有公式為

當(dāng)儲(chǔ)能裝置功率變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器能及時(shí)改變直軸電流的參考量，有效防止超級(jí)電容因功率釋放導(dǎo)致直流母線過電壓。將儲(chǔ)能系統(tǒng)在故障中吸收的功率加到網(wǎng)側(cè)變流器中，網(wǎng)側(cè)變流器電壓功率協(xié)調(diào)控制策略見圖6。

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器電壓功率協(xié)調(diào)控制策略Fig.6 Voltage and power coordinated control strategy of grid?side converter

4 仿真驗(yàn)證分析

本文為驗(yàn)證含有超級(jí)電容雙饋風(fēng)機(jī)組的低電壓穿越方案的有效性，利用Matlab/Simulink 搭建了含超級(jí)電容的雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)模型圖，見圖7-8。當(dāng)B4發(fā)生三相短路時(shí)，將傳統(tǒng)控制策略下故障運(yùn)行特性和本文所提的控制策略進(jìn)行對(duì)比分析。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of system

圖7 含有超級(jí)電容的雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 Grid connection system of double?fed fan with super capacitor

圖8 超級(jí)電容經(jīng)DC/DC變換器連接到風(fēng)機(jī)直流側(cè)Fig.8 Connection of super capacitor to the DC side of the fan via a DC/DC converter

其中DC/DC 變換器的控制參數(shù)為，Buck 模式時(shí)，電壓外環(huán)kvp=20，kvi=0.5，電流內(nèi)環(huán)kip=0.048，kii=2；Boost 模式時(shí)，kvp=17，kvi=0.43；電流內(nèi)環(huán)kip=0.018，kii=2。

圖9 為傳統(tǒng)控制策略下的系統(tǒng)仿真圖，從圖中可見，風(fēng)機(jī)處在單位功率因數(shù)模式下，網(wǎng)側(cè)無功給定為0，如圖9（a）、圖9（b）所示：在故障期間，傳統(tǒng)的控制策略幾乎沒有向電網(wǎng)輸入無功功率，B1 母線電壓在0.3 p.u.左右，持續(xù)時(shí)間為0.4 s（3~3.4 s）。由于無功功率不足，在2.4 s 切除故障后電壓沒有很快恢復(fù)至正常電壓。故障期間直流側(cè)電壓迅速上升約為2 700 V，大大超出兩側(cè)變流器和直流電容的承受范圍，且在故障切除后經(jīng)過0.25 s 恢復(fù)至正常水平，如圖9（d）所示。圖9（c）為雙饋風(fēng)機(jī)輸出有功波形，雙饋風(fēng)機(jī)有功輸出能力在低電壓故障時(shí)嚴(yán)重下跌，在故障切除之后，需經(jīng)過0.65 s 有功出力才恢復(fù)至正常水平。在傳統(tǒng)控制策略下，轉(zhuǎn)子的電流達(dá)到了正常運(yùn)行時(shí)的3 倍為1.8 p.u.。

圖9 傳統(tǒng)控制策略仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of traditional control strategy

圖10 為帶有超級(jí)電容蓄能控制策略下仿真波形圖。在本文所提的控制方案下，為了使此方案更加具有說服力，當(dāng)電網(wǎng)在3 s 時(shí)發(fā)生三相短路，故障持續(xù)時(shí)間為0.625 s。如圖10（a）、圖10（b）和圖10（c）所示，故障期間B1母線電壓約為0.4 p.u.，比傳統(tǒng)控制策略下提高了約0.1 p.u.；期間風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)注入了0.46 p.u.的無功功率（其中機(jī)側(cè)變流器向電網(wǎng)注入約為0.15 p.u.的無功功率）。圖10（e）所示為投入超級(jí)電容后，直流母線電壓波形，由圖可知在投入超級(jí)電容后直流母線的過電壓得到了有效抑制，電壓波動(dòng)小于15%，小于風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)電壓，雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。從圖10（d）可以看出，在3.625 s時(shí)刻有功功率輸出得到了有效恢復(fù)，這也表明網(wǎng)側(cè)變流器平衡電能控制的有效性。圖10（f）表示為轉(zhuǎn)子電流，在發(fā)生短路故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流上升為1.6 p.u.相比于傳統(tǒng)控制策略下短路時(shí)轉(zhuǎn)子電流下降了0.2 p.u.。

圖10 含有超級(jí)電容的控制策略仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of control strategy with super capacitor

5 結(jié)語

本文針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越過程中存在的問題，提出了超級(jí)電容經(jīng)隔離型DC/DC 變換器組成的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)并聯(lián)到直流母線處，并通過Matlab/Simulink 軟件對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)低電壓穿越能力進(jìn)行仿真分析。得出如下結(jié)論：

1）實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)超級(jí)電容蓄能系統(tǒng)抑制故障期間直流側(cè)母線過電壓。

2）達(dá)到了網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器在發(fā)生低電壓故障時(shí)，兩側(cè)變流器的無功功率控制輸出無功電流保證了電網(wǎng)的無功需求，電壓的支撐有效減小故障期間轉(zhuǎn)子電流。

3）在電網(wǎng)故障切除后，通過網(wǎng)側(cè)變流器平衡電能的控制進(jìn)而加快恢復(fù)風(fēng)機(jī)輸出的有功功率。

最后結(jié)果表明基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力相比于傳統(tǒng)控制的風(fēng)機(jī)得到了顯著的提升。