雙PWM 變換器式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制策略研究?

林敏洪 陳建鈿 侯祖鋒 潘凱巖 梁 苑 劉謀君

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

隨著近幾年國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的風(fēng)力發(fā)電市場快速發(fā)展[1－3]，據(jù)研究，我國新研發(fā)的風(fēng)電吊裝和并網(wǎng)運(yùn)營容量都呈現(xiàn)大比率增長，全國總計(jì)風(fēng)電吊裝和并網(wǎng)運(yùn)營容量累積可達(dá)到50 GW 和35 GW。目前已經(jīng)被普遍使用的風(fēng)電機(jī)組中，變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組占據(jù)比例最高，成為當(dāng)前主要流行的風(fēng)電機(jī)組型[4－6]。在風(fēng)力發(fā)電需求的引領(lǐng)下，風(fēng)電行業(yè)逐漸生長，風(fēng)力發(fā)電占據(jù)電網(wǎng)總量逐年上升，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電對國家電網(wǎng)也產(chǎn)生了較大的影響。因此，國家開始著手控制風(fēng)電機(jī)組的擴(kuò)張，要求風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越性能，以能在電網(wǎng)故障情況下繼續(xù)運(yùn)行，并且能夠促使電力系統(tǒng)正常運(yùn)行[7]。據(jù)調(diào)查得知，國外大部分電網(wǎng)企業(yè)提高了風(fēng)電場的運(yùn)營要求，因此，國內(nèi)部分電網(wǎng)運(yùn)營商開始對風(fēng)電機(jī)組劃定并網(wǎng)指標(biāo)，其中風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越就是并網(wǎng)指標(biāo)的重要舉措之一。

風(fēng)電機(jī)組也稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)組成。本文在查閱了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對其發(fā)電機(jī)定子過電流、轉(zhuǎn)子過電流、變流器直流母線過電壓以及發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩震蕩情況進(jìn)行了研究和控制，得出結(jié)論。風(fēng)電機(jī)組葉片的槳距角關(guān)系著風(fēng)電機(jī)組的正常轉(zhuǎn)速，因此需要對其進(jìn)行控制，從而減小風(fēng)力，避免發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行受阻，但是對其采取有效的控制手段后，故障會(huì)及時(shí)清除，可以促使功率快速恢復(fù)正常，輸出功率正常流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)重新運(yùn)行。因此，想要提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越，就要對其漿距角的控制原理進(jìn)行研究、分析，采用一定的方法進(jìn)行仿真，針對出現(xiàn)的情況進(jìn)行控制，最后，找出可行的控制策略，便利風(fēng)電機(jī)組可以及時(shí)應(yīng)對電壓跌落等情況。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越概述

隨著國家電網(wǎng)要求風(fēng)電機(jī)組具備低電壓突起性能，可以在電網(wǎng)故障下繼續(xù)正常運(yùn)行，這促使風(fēng)力發(fā)電行業(yè)不斷更新技術(shù)，逐漸開始低電壓穿越試運(yùn)行，依據(jù)國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0/GDW 392—2009?風(fēng)電場接人電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定?的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)制定電壓跌落標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，具體如圖1 所示[8－9]。

圖1 低電壓穿越要求

圖中橫軸數(shù)值表示電壓跌落時(shí)間，以0.5 s 作為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，縱軸數(shù)值表示并網(wǎng)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓的比值，電壓跌落的深度與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間都不一樣，且電壓跌落時(shí)間與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間成正比。其中標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值是網(wǎng)點(diǎn)電壓故障降落至20%時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電壓，風(fēng)電機(jī)組要保持繼續(xù)運(yùn)行至620 s，促使低電壓穿越時(shí)間總量和電網(wǎng)恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間相匹配[10]。在發(fā)電機(jī)的電磁功率故障消除時(shí)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率要自動(dòng)恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，保證至少50%/s 的固定功率變化區(qū)間，直到恢復(fù)到初始數(shù)值。風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越時(shí)網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落幅值(標(biāo)幺值)和電壓跌落時(shí)間的測試數(shù)值，具體如表1 所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測試點(diǎn)電壓及時(shí)間

其中，電機(jī)組的測試數(shù)值針對大于80%的固定功率和5%到25%固定功率之間的電流短路進(jìn)行三相與兩相測試。表中數(shù)值明顯表示風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落期間，保持低電壓穿越運(yùn)行，促使了風(fēng)電機(jī)組功率轉(zhuǎn)速不斷上升，有效防止了電網(wǎng)斷網(wǎng)、機(jī)組停機(jī)，及時(shí)促進(jìn)機(jī)組的功率持續(xù)輸出，促使電網(wǎng)功率保持恢復(fù)，清除障礙[11]。

2 電網(wǎng)故障時(shí)電機(jī)側(cè)變換器控制策略

直流側(cè)電壓uda的平穩(wěn)控制能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能跟蹤，這需要電機(jī)側(cè)變換器來實(shí)現(xiàn)對uda的控制，進(jìn)而通過控制電網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 基于雙PWM 變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從文獻(xiàn)中可以知道，電網(wǎng)電壓正常時(shí)，可以對永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)定子電流q軸分量進(jìn)行預(yù)測，從而對電磁轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行控制，在電機(jī)組風(fēng)力轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過控制調(diào)節(jié)風(fēng)力轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機(jī)組能夠以最佳的葉速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的有效化，做好對風(fēng)源的控制。另外，在固定風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)下，風(fēng)速變化時(shí)，PMSG輸出功率指令PS，具體的公式為PS＝kω3－ΔP，其中k表示調(diào)節(jié)因子，ω是角頻率，ΔP是功率變化量。

有效功率指令P可以自行控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行指示以獲得最大風(fēng)能。在標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速上，風(fēng)電機(jī)組可能會(huì)發(fā)生超速現(xiàn)象，所以需要采取變槳操作來控制風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)功率，使其按照發(fā)電機(jī)固定功率控制發(fā)電機(jī)組的功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的恒定功率以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。研究表明，電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，PMSG 可以控制電網(wǎng)系統(tǒng)外環(huán)，采用有固定功率的閉環(huán)PI 進(jìn)行調(diào)控，促使其自動(dòng)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)后為發(fā)電機(jī)傳送定子電流q軸分量，最后控制電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)，分別在內(nèi)環(huán)一側(cè)進(jìn)行定子d軸、q軸電流調(diào)控[12]。另外，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)兩側(cè)的變換器電壓跌落無法為發(fā)電機(jī)輸出有效的功率時(shí)，剩余的電流若不加強(qiáng)控制就會(huì)直接流入側(cè)電容進(jìn)行自動(dòng)充電，這會(huì)使側(cè)電容內(nèi)電壓達(dá)到很高的數(shù)值，最終威脅到并網(wǎng)變流器的平穩(wěn)運(yùn)行。所以，機(jī)組人員應(yīng)該限制一定的電網(wǎng)側(cè)變換器在電網(wǎng)故障時(shí)多余電流的流入，避免直流越過電壓和電網(wǎng)側(cè)變換器。

槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為幾百毫秒或者秒級，所以需要對其進(jìn)行3 到10 個(gè)周期的電網(wǎng)短路故障測試，但實(shí)際上采用變槳調(diào)節(jié)難以有效限制發(fā)電機(jī)輸出的額定功率，而發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)可以將電流控制的動(dòng)態(tài)時(shí)間控制在十毫秒之內(nèi)，所以一般電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)都會(huì)采用限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的方式來保證發(fā)電機(jī)可以輸出額定功率[13]。

3 低電壓穿越控制策略

風(fēng)電機(jī)組的主控系統(tǒng)在低電壓穿越期間的控制策略主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一個(gè)是對變槳機(jī)組的控制，通過對槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)后，控制對風(fēng)能的捕獲，縮短風(fēng)能帶進(jìn)去的氣動(dòng)力矩，防止機(jī)組轉(zhuǎn)速過快。第二個(gè)是在電網(wǎng)故障后電壓恢復(fù)時(shí)，保持電網(wǎng)兩側(cè)的變壓器有一定的額定功率輸出。風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和風(fēng)能吸收時(shí)的輸入功率與風(fēng)電機(jī)組的輸出功率的差距有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，電壓驟降，風(fēng)電機(jī)組可以瞬間進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，降低輸出功率。其次，風(fēng)電機(jī)組的變壓器出現(xiàn)轉(zhuǎn)子過流和母線過壓等一些現(xiàn)象，致使風(fēng)電機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)電路和母線中斷，不能保護(hù)電路順暢運(yùn)行，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的電磁阻轉(zhuǎn)矩縮小。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，電磁阻轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定會(huì)使風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速急速上升，因此就需要增大槳距角，降低風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)變槳距控制[14]。

在風(fēng)電機(jī)組低壓穿越時(shí)，槳距角一是通過主控系統(tǒng)的指示自行設(shè)定一定的數(shù)值，讓變槳機(jī)系統(tǒng)通過內(nèi)部控制器加大速度實(shí)現(xiàn)變槳角的調(diào)節(jié)，二是主控系統(tǒng)在直接輸出緊急順槳控制(Emergency Feathering Control，EFC)信號后保證變槳系統(tǒng)可以快速完成槳距角的調(diào)節(jié)。不同的變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)EFC 信號時(shí)采用不同的方式，比如直流伺服(Servo System Based，SSB)變槳系統(tǒng)是在主控系統(tǒng)輸出EFC 信號后，變槳系統(tǒng)開始緊急順槳，隨著信號的消失，順槳停止[15]。其可以通過控制信號實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)節(jié)槳距角，緊急順槳的槳距角數(shù)值可以利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試，當(dāng)數(shù)值超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，變槳系統(tǒng)不再繼續(xù)加速。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組的固定風(fēng)速越大，葉片的開始槳距角數(shù)值就會(huì)越大，在低壓穿越期間，槳距角會(huì)逐漸減小，變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)變短。當(dāng)槳距角在一定風(fēng)速下變?yōu)?°時(shí)，低電壓穿越時(shí)變槳系統(tǒng)需要調(diào)整的角度數(shù)值就會(huì)變大，時(shí)間也就變長[16－17]。

4 結(jié)果驗(yàn)證

如圖3 所示為系統(tǒng)整體控制框圖，電機(jī)側(cè)變換器與電網(wǎng)側(cè)變換器均采用PI 控制，這是因?yàn)楣こ虘?yīng)用中PI 控制簡單易實(shí)現(xiàn)。電機(jī)側(cè)變換器的d軸電流設(shè)定為0，q軸電流設(shè)定為根據(jù)電機(jī)模型計(jì)算得到的值；電網(wǎng)側(cè)變換器的設(shè)定電流是通過直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制得到，其中需要鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)模塊進(jìn)行鎖相。

圖3 雙PWM 變換器控制框圖

為了驗(yàn)證本文所述策略的有效性，采用如圖4 所示的電機(jī)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的模擬。圖5 所示為雙PWM變換器實(shí)物圖，圖6 所示為電網(wǎng)側(cè)的隔離變壓器。

圖4 電機(jī)

圖5 雙PWM 變換器

圖6 網(wǎng)側(cè)隔離變壓器

圖7 所示為風(fēng)速固定且并網(wǎng)母線電壓發(fā)生變化時(shí)的波形，縱坐標(biāo)表示電壓相對于基準(zhǔn)電壓的標(biāo)幺值。為了驗(yàn)證本文所述控制策略的有效性，設(shè)置并網(wǎng)母線電壓值的變化倍數(shù)如圖7 所示，2 s～3 s 時(shí)設(shè)置為1.5 倍，3 s～4.5 s 時(shí)設(shè)置為1.3 倍，4.5 s～5.5 s 時(shí)設(shè)置為1.25 倍，5.5 s～6.5 s 時(shí)設(shè)置為1.2 倍，6.5 s～7.5 s時(shí)設(shè)置為1.15 倍，7.5 s～9 s 時(shí)設(shè)置為1.1 倍。

圖7 機(jī)端并網(wǎng)母線電壓輸出情況

圖8 所示為設(shè)定故障發(fā)生時(shí)的q軸電流以及給定變化圖。從圖中可以看出，q軸電流能夠很好地跟蹤給定電流，當(dāng)2 s 故障發(fā)生時(shí)，q軸電流受到一定的沖擊，但是很快趨于穩(wěn)定，證明了電機(jī)側(cè)電流控制器的有效性。3 s～4.5 s 時(shí)為了保證直流電壓穩(wěn)定，發(fā)生低電壓穿越時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)電流給定會(huì)發(fā)生降低，配合電壓降低時(shí)導(dǎo)致的功率降低，后續(xù)繼續(xù)穩(wěn)定至原電流值。

圖8 電機(jī)側(cè)變換器q 軸電流

圖9 所示為并網(wǎng)母線電壓發(fā)生故障時(shí)的電壓以及電流波形。從圖中可以看出并網(wǎng)母線電壓變化與圖5 一致，同時(shí)并網(wǎng)電流變化與電壓變化趨勢相反，這是為了保證低電壓穿越時(shí)也具備穩(wěn)定的功率輸出。

圖9 并網(wǎng)母線電壓以及電流變化圖

圖10 所示為直流側(cè)電壓波形，發(fā)生低電壓穿越故障時(shí)，直流側(cè)電壓在每次并網(wǎng)電壓變化時(shí)都有沖擊，但是很快都能穩(wěn)定，證明了控制策略的有效性。

圖10 直流側(cè)電壓

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)對雙PWM 變換器并網(wǎng)下的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越運(yùn)行控制策略進(jìn)行了研究，電網(wǎng)故障時(shí)通過限制電流運(yùn)行功率來保證輸入的電流達(dá)到一定的功率，不對變換器和發(fā)電機(jī)造成破壞。也保證電網(wǎng)在故障時(shí)，采用發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器內(nèi)電流閉環(huán)控制促使直流電壓穩(wěn)定運(yùn)行，最終促使風(fēng)電機(jī)組可以保持低電壓穿越。本文通過電機(jī)側(cè)變換器控制策略和低電壓穿越控制策略的研究，為我國風(fēng)能利用提供一定的研究依據(jù)。