直驱永磁同步风机低电压穿越控制方法研究

刘希峰，王和先，王 军，张艳艳，张 伟

（山东电力集团公司聊城供电公司 山东 聊城 252000）

随着风电技术快速发展，基于永磁同步发电机的变速恒频风力发电系统越来越受到人们的重视，且在当今现有的风场装机容量中所占比例越来越大。但大规模风电场能否持续稳定并网运行对原有电网的安全稳定性造成很大的影响。国家电网公司企业标准《风电场接入电网技术规定》即要求并网风电场必须具备电压跌落下的低电压穿越能力[1]。

直驱永磁同步风电机组（Direct-driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous Generator，D-PMSG）通过全功率变流器与电网相连，网侧故障下全功率变流器将发电机与电网隔离，且暂态期间能够实现无功电流的灵活输出。目前对直驱风机实现故障穿越控制方法的研究仍是国内外热点。文献[2]为实现直驱风电机组在电网电压跌落瞬间不脱网运行，采用了网侧变流器的STATCOM运行模式，无功输出的灵活控制提高了其故障穿越能力。文献[3]通过直流侧加装储能装置平衡故障期间直流母线不平衡功率，提高了其暂态电压稳定性。

本文建立了直驱永磁风力发电系统的发电机和全功率变流器数学模型，分析了直驱风机低电压暂态过程，在PowerFactory / DIgSILENT中建立相应动态仿真控制模型，对提出的变流器改进控制方案提高风场低电压穿越能力进行了验证。

1 直驱永磁风力发电系统

直驱永磁风机的典型结构包括风轮机、传动机构、永磁低速同步发电机以及全功率变流器。基于可控IGBT背靠背全功率变流器完成发电机侧到电网的功率传输，并实现发电机的变速恒频运行以及网侧输出的灵活功率控制。

1.1 传动系统建模

本文建立直驱风机用双质块传动结构模型如图1所示。

图1 传动轴系双质块结构Fig.1 Dual mass structure of the drive shaft

其对应数学模型如式（1）。

式中，Htur为风轮机惯性时间常数（s）；θk为柔性传动轴两端扭转角差（rad）；Ttur、Tgen分别为风力机机械转矩与发电机电磁转矩，Tshaft为送入到发电机转子侧的机械转矩（Nm）;Dtur（常取值为0）、 分别为风力机转子与发电机转子的阻尼系数（Nm/rad）;ωtur、ωgen分别为风力机与发电机转子转速（rad/s）。

由式（1）中发电机转子运动方程，稳态运行下发电机两侧功率保持平衡，转子转速保持不变。故障引起机端电压降低，输入输出功率失衡，最后引起转速波动，影响风电机组安全稳定运行。

1.2 全功率变流器等效建模

直驱永磁风机所用双PWM全功率变流器的直流环节可简化为如下的等效电路图：

图2 全功率变流器直流链等效电路Fig.2 Equivalent circuit of the full-power converter DC link

两侧变流器分别等效为两独立的电流源I1、I2，直流母线并联有电压源特性的电容器C，流过电容器电流、两端电压分别为Idc、Vdc。P1、P2为机侧变流器交流端输入功率和网侧变流交流侧输出功率，P1,loss、P2,loss为发电机侧变流器、网侧变流器有功损耗[4]。则直流母线电压满足关系式：

若变流器开关损耗忽略不计，直流母线电压大小取决于发电机发出有功功率与网侧变流器输送到电网的有功功率的差值。由此可见，暂态下两侧变流器功率不平衡将引起直流链电压升高，危害到变流器的正常运行。

2 低压故障的暂态过程分析

直驱永磁风电机组通过全功率变流器实现发电机与电网的功率交换，全功率变流器的应用减小了网侧暂态故障对发电机的影响。因此，该类型风机的稳定运行以及故障下的调整能力主要取决于两侧变流器的控制策略设计。机侧变流器多采用恒定子电压定向的矢量控制策略，网侧电压源变流器采用电网电压定向矢量控制，实现有功、无功功率的灵活输出。稳态运行控制下常常采用网侧变流器的单位功率因数控制。

并网运行的永磁直驱风力发电机，电压跌落下，网侧变流器为维持直流母线电压稳定将会增大有功电流的输出，但受限于变流器最大工作电流值限制，会使输出电网的有功功率受到限制。根据直流母线电压关系式（3），此时若仍然采用稳态下机侧变流器常规控制方式，直流母线电压将会继续上升（图3）。因此，直驱风机低电压故障下，会造成母线过电压以及变流器过电流等暂态现象[5]。直流母线所产生的电压冲击随之影响机侧变流器正常工作，对发电机的恒定子电压控制造成影响，进而引起发电机定转子各电气、机械变量的波动。若故障持续时间过长或电网跌落深度过大，直驱风机将失去稳定运行状态，被迫采取脱网停机保护。

图3 常规控制下直流母线电压波动Fig.3 DC bus voltage fluctuations with routine controls

3 改进控制方案设计

暂态过程分析的基础上，本文提出带有LVRT保护模块的直驱风机的变流器改进控制策略，试图实现该类型并网风电场的低电压穿越功能。

3.1 LVRT保护模块设计

设计LVRT保护功能模块：通过检测风电场并网点电压的跌落程度来判断并控制网侧变流器控制所需无功参考电流值iq_set和机侧变流器控制所需有功参考电流值isd_set的大小来实现功率输出的相应调整，进而减小风机全功率变流器两端功率失衡。

故障期间的无功电流参考值iq_set的设定原则参考德国E.ON标准：风力发电机输出无功电流占额定电流的比值应等于2倍于电网电压跌落幅度；发电机侧变流器有功电流参考值依据无功电流而定，即：

3.2 改进方案确定

如图4所示，全功率变流器采用基于LVRT保护控制模块的机侧与网侧变流器协调控制策略，分别实现机侧有功的输入限制以及网侧无功输出对电网的电压支持，同时考虑了风力机的常规变桨距控制来减小发电机转子超速运行下的气动转矩输入。

4 算例仿真分析

单台容量为1.5 MW的永磁直驱变速恒频风机组成的小型风电场并网系统如图5所示，分别经汇流母线、集电线路并入风电场变电站经二次升压，通过高压输电线路并列外部电网。

图4 全功率变流器协调控制策略Fig.4 Coordinated control strategy of the full-power converter

故障设定情况：t= 1.0 s时刻高压输电线路中间段落发生三相短路故障，引起并网点电压跌落幅度为60%。t= 1.625 s故障切除，仿真过程忽略场内风速波动影响[6]。根据保护模块电流计算关系式（4），考虑到计算模块中对电流的限幅作用，致使无功参考q轴电流分量按最大值1输出，而有功参考d轴电流分量变为0，如图6（a）（b）所示。

图5 直驱永磁风电并网系统Fig.5 Wind power grid-connected system with the D-PMSGs

图6（a）中，机侧变流器对发电机的有功控制电流参考值在保护模块的作用下，被限制在0值大小，对应的发电机有功输出被限制在0值上下波动。与此同时，机端输出功率的小幅波动会造成机端电压的震荡，机侧恒定子电压控制无功电流变化，维持机端电压在稳定范围内运行。由图6（b）得出，随着并网点跌落深度的加大，网侧无功输出增加，起到电网电压支撑作用。网侧直流母线电压外环控制有功d轴电流分量跟踪机侧输入有功功率的变化而变化，有效地减小了直流母线电压的波动。

图6 变流器控制变量仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the converter control variables

图7 风机暂态响应输出仿真波形Fig.7 Transient simulation waveforms of the wind turbine

通过上图7中风机输出功率波形分析，改进协调控制策略有效地增大了低电压故障下网侧变流器对电网的无功注入水平。有功功率输出在保证直流母线电压稳定的前提下小幅上下波动，且发电机转子转速在经过短暂的加速后，最终恢复到额定转速，仿真验证本控制方法有效地提高了直驱永磁风机低电压故障下的运行稳定性。

5 结 论

本文对并网运行永磁直驱风力发电系统的低电压穿越技术进行研究。在全功率变流器永磁直驱风电系统的机侧变流器和网侧变流器稳态控制策略基础之上，提出了改进下的全功率变流器的协调控制的低电压穿越实现措施。在PowerFactory/DIgSILENT仿真平台中对相应的控制方案进行建模，仿真结果验证了控制方法的有效性。

[1]国家电网公司. Q/GDW 392-2009风电场接入电网技术规定[S].北京:中国电力出版社.

[2]李建林,胡书举,孔德国,等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化, 2008 32(19):92-95.

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[3]侯世英,房勇,曾建兴,等.应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力[J].电机与控制学报, 2010 14(5): 26-31.

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[4]Mullane Alan , Lightbody G ,Yacamini R.Wind-turbine fault ride-through enhancement[J]. Power Systems, IEEE Transactions on, 2005,20(4): 1929-1937.

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