SMES用于双馈发电机故障穿越的研究

刘金虹　张　辉　李　洁　杨秉翰　闵　阳

SMES用于双馈发电机故障穿越的研究

刘金虹1，2张辉1，2李洁1杨秉翰1闵阳1

（1. 西安理工大学自动化与信息工程学院 西安 710048 2. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）

近年来随着风电并网容量的迅速增加，风电场脱网对电力系统的影响日益严重。本文首先介绍了风电场故障穿越的技术要求，将双馈感应发电机（DFIG）控制系统分为风机控制分系统、转子侧和定子侧变频器控制分系统，然后建立超导磁储能（SMES）3阶相量模型，并采用SMES提高DFIG故障穿越能力和动态响应速度，最后在Matlab/Simulink中搭建SMES+DFIG仿真模型，并采用中国的低电压穿越（LVRT）标准和美国的高电压穿越（HVRT）标准验证SMES辅助风电机组实现故障穿越的能力。

超导磁储能 故障穿越 双馈风力发电 相量模型

0　引言

随着风电装机容量的迅速增大和风电并网要求的不断提高，故障穿越成为风电场并网的必备能力，否则因电压跌落或浪涌导致的风电机组解列将严重影响电力系统稳定，甚至造成全面瘫痪。

目前大部分风电场故障穿越研究集中在低电压穿越（Low Voltage Ride Through， LVRT）与零电压穿越（Zero Voltage Ride Through， ZVRT），高电压穿越（High Voltage Ride Through， HVRT）研究较 少。而实际风电场中，当电网电压跌落发生时，由于投切电容器等无功补偿装置，可能造成无功过剩，在电网电压恢复时引起电网电压骤升，对风电机组造成二次危害，故需要综合考虑各种情况下的故障穿越。

目前解决故障穿越的方法主要有软件法和硬件法，其中硬件法有2种［1］：加储能装置或者转子侧并联撬棒（Crowbar）电路，软件法有3种［2］：基于定子电压动态补偿的控制策略、改进矢量控制策略、和基于H∞和μ 分析的新型鲁棒控制器方法。

设风电场公共耦合点（Point of Common Coupling， PCC）额定电压为Un，则当PCC点电压跌落至0甚至0.15Un以下时，采用软件法很难实现，故采用硬件法辅助风电机组穿越故障电压已成为 必然。

目前这两种硬件法均能较好地改善风电机组的LVRT功能，但加装撬棒电路会增加额外的功率损耗，故增加储能装置具有更好的效果。本文拟采用超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES）辅助风电机组穿越故障电压。

1　故障穿越技术要求

对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省（区域）级电网，该电网区域内运行的风电场应具有低电压穿越能力［3］。

《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2011）表明，PCC电压为0.9Un～1.1Un时，风电机组应能正常运行。

图1　中国LVRT和ZVRT标准Fig.1　Grid codes of LVRT and ZVRT in China

LVRT（或ZVRT）要求：当电网故障或扰动引起PCC电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。

（1）风电场内的风电机组具有在PCC电压跌至0.2Un（或0）时，能够保证不脱网连续运行0.625s（或0.2s）的能力。

（2）风电场PCC电压在发生跌落后2s（或5s）内能够恢复到0.9Un，期间风电机组能够保证不脱网连续运行，如图1所示。

对于HVRT，目前国家电网公司没有明确的技术标准，在此参照美国HVRT技术标准如图2所示。

（1）当PCC电压上升到1.2Un时，能够保证不脱网连续运行1s；

（2）PCC电压每秒下降3.3%，4s内恢复到正常电压范围内，期间风电机组能够保证不脱网连续运行。

图2　美国HVRT和LVRT标准Fig.2 Grid codes of HVRT& LVRT in USA

2　SMES 3阶相量模型及其控制

目前用于SMES的控制方法主要有直接功率控制［4］、功率解耦控制［5］、载波轮换均流控制［6］、反馈线性化控制［7］、模糊逻辑控制［8］、自适应神经元控制［9］和非线性PID控制［10］等。

其中非线性PID控制具有鲁棒性强、不依赖于被控对象模型等优点，相量模型就属于非线性PID控制的一种。

SMES在电磁暂态分析中，一般都采用等效的2阶相量模型［11］，但该模型忽略了SMES能量及电流对其输出功率的影响，未考虑有功和无功功率的相互影响，且没有考虑变流器输出电流大小的限制，故在此采用3阶相量模型。

2.1SMES功率关系

若不计变流器损耗，考虑交/直流侧功率平衡，可得电压电流之间的关系为［12］

式中，Ud为直流侧电压；Id为超导线圈直流电流；Us和Is分别为交流侧相电压和相电流有效值；φ是Us和Is的相位差。PWM控制下SMES向系统输出的有功/无功功率可以表示为

式中，Usm和Ism分别表示变流器交流侧相电压和相电流幅值；M为变流器的调制比。将式（2）中两式平方后相加可得

调制比M的取值范围为［0，1］，故由式（3）知

SMES功率调节范围在PQ坐标系内为一个圆心在 原点，半径为的圆内，如图3所示。

图3　有功无功功率关系Fig.3　Relationship of active and reactive power

2.2 SMES 3阶相量模型

超导线圈上的储能scE可以表示为

则

由式（2）可知通过调制比M和相位角φ实现SMES的有功/无功解耦控制，若给定的功率参考信号为Pref、Qref，则

考虑SMES变流器的动态响应延迟，其动态过程可由式（7）的两个一阶惯性环节来描述。

式中，时间常数Tc的物理含义是变流器以及其内部的延迟时间。

SMES模型框图如图4所示：虚线框内为式（7）反映的SMES变流器动态过程，虚线框上部是式（5）所示的超导线圈电流动态模型。此外SMES外环控制器中，有功功率控制用于抑制功率振荡；无功功率控制用于维持PCC电压稳定。

图4　SMES 3阶相量模型Fig.4　Third-order phasor model of SMES

3　风力发电机组模型及控制

风电机组空气动力学模型为［13］

式中，PM为风电机组从风中捕捉的能量转化成的风电机组机械功率；ρair为空气密度；Cp为叶片的风能转换效率系数；R为风轮机叶轮半径；λ为叶尖速比；β为桨距角；νω为风速。

在dq两相同步旋转坐标系下可得DFIG数学模型可用以下几个方程描述。

定子电压方程为

转子电压方程为

定子磁链方程为

转子磁链方程

电磁转矩方程为

运动方程为

式中，mecT、emT分别为风力发电机机械转矩和电磁转矩。

将同步旋转参考坐标系d轴与定子电压矢量方向重合，有usd=Us，usq=0，因此DFIG定子有功/无功功率表示为

式中，ird、irq分别为转子电流在以定子电压定向的同步旋转坐标系d、q轴上的有功/无功分量，ird可控制定子绕组有功功率Ps，irq可控制定子绕组无功功率Qs，它们之间不存在耦合关系，从而实现定子绕组有功/无功功率解耦控制。

DFIG综合控制结构如图5所示，包含了两个部分：风轮机控制与DFIG控制［14］。风轮机控制中，β 为桨距角分别为风轮机转速参考值和测量值；为PCC参考额定功率。

图5　基于DFIG的风电机组综合控制Fig.5　Integrated control of wind turbine based on DFIG

DFIG控制用于独立控制发电机发出的有功/无功功率，包含两个部分：一个用于机侧变流器控制；一个用于网侧变流器控制。风轮机的控制由转速控制器与桨距角控制器组成。转速控制器提供用于控 制PCC功率的变流器有功功率参考值给DFIG 机侧变流器的功率控制器；当风速超过额定风速、风电机组有功功率超过其额定功率时，桨距角控制器增大桨距角以限制风电机组有功功率。对于变流 器的无功功率控制，机侧变流器的根据稳态运 行时系统对PCC无功功率的需求设定为一个不变 值；网侧变流器的设定为0，保持正常工作时 转子与电网之间不交换无功。

4　仿真及结果分析

4.1仿真模型的构建

带SMES的风电并网结构如图6所示，其中6个1.5MW DFIG通过Yd变压器联结交流电网。电网电压由恒定频率的理想三相电压源代替，通过30km的传输线连接到风机。根据风速-功率曲线特性［15］，假设平均风速为15m/s时，风机输出功率为1（pu），发电机转速度为1（pu），SMES通过变压器连接到PCC，其额定储能量为1MJ。

图6　带SMES的DFIG并网结构示意图Fig.6　DFIG grid-connected system with SMES

图7　SMES相量模型Fig.7　Phasor model of SMES

SMES相量模型采用三相对称可控电流源来模拟SMES的动态响应特性，且只模拟SMES的有功/无功功率响应特性。图7是SMES相量模型，其输入为有功/无功功率指令值，输出为三相交流功率，输出测量端m为SMES交流侧相电压、相电流、dq轴电压/电流分量、有功/无功功率、直流侧电压等。

SMES相量模型主要由等效电流源、控制输出和信号采集三部分构成。控制输出模块用以将外部输入的指令值转换为相应的电流值，信号采集模块用于检测内部电压、电流等信号并将其输出。对于并联直流母线的SMES，还需加上斩波器和相应的控制装置，控制信号取母线电压与参考值的偏差量。

Matlab/Simulink中DFIG仿真模型输入由风速和无功功率给定，输出通过变压器及输电线路与电网相连。监测量包括直流母线电压、有功功率、无功功率、转子电压/电流和转速等。由于只是仿真故障期间DFIG的响应特性，故DFIG的风速输入设定为恒定值，故障前DFIG以额定功率运行于稳定状态，图8是其模型图及子模型。

图8　DFIG模型外观图及内部详细模型Fig.8　DFIG model and sub model

4.2仿真参数

DFIG参数、传输线路参数及SMES参数列于表1～表3。

4.3仿真结果及分析

1）t=2s时，给定网侧电压浪涌1.4（pu），仿真结果如图9所示。

无SMES时，PCC电压上升到1.35（pu），根据美国风电HVRT并网标准，风机将脱网。

表1　DFIG参数Tab.1 Parameters of DFIG

表2　传输线路参数Tab.2　Parameters of Transmission line

表3　SMES参数Tab.3 Parameters of SMES

图9　PCC电压响应Fig.9　Voltage response of PCC

有SMES时，PCC电压下降到1.18（pu），在美国HVRT技术标准范围内，避免了风机脱网。

2）t=2.13s时，故障消除。

无SMES时，电压下降到0.82（pu），有SMES时，电压下降到0.9（pu）。

直流母线电压是体现风电机组故障穿越的重要指标，图10显示了电压浪涌时的直流侧电压波形。有SMES时，振荡和超调大大减小，直流侧电压在峰值下降约50V。

图10 VSC电容端电压Fig.10　Capacitor voltage of VSC

图11显示了电压浪涌时风机的特性。当PCC产生浪涌电压且无SMES时，有功功率上升到1.38（pu），有SMES时，有功功率下降到1.28（pu），SMES在一定程度上抑制了浪涌功率上升。t=2.13s故障消除时，有功功率下降，这和电压变化情况类似。

图11　DFIG输出有功/无功功率波形Fig.11　Active/reactive power output of DFIG

同样，当PCC发生电压跌落且无SMES时，无功功率下降到-0.8（pu）；而有SMES时，无功功率下降到-0.38（pu），SMES可有效地防止PCC功率深度跌落，辅助风机成功穿越故障。

SMES线圈储能和电流特性分别如图12和图13所示。发生电压浪涌时，SMES瞬间给电网放电，恢复时间为几毫秒，满足电网故障时快速响应的特性。

图12　SMES线圈的储能特性Fig.12　Storage characteristics of SMES coil

图13　SMES线圈的电流特性Fig.13　Current characteristics of SMES coil

5　结论

文章研究采用SMES增强DFIG故障穿越能力，使风电机组满足中国LVRT和美国HVRT技术标准，Matlab/Simulink仿真结果表明，无SMES时，PCC电压超出许可电压，风电机组将脱网。当加入SMES及相应控制时，风电机组的故障穿越能力得到极大改善，在故障发生时风电机组能持续并网运行，保证电力供应的连续性。

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刘金虹 男，1985年生，博士，研究先进电力储能及其在微网中的应用。

张 辉 男，1963年生，教授，博士生导师，研究节能与新能源发电、电动车驱动系统。

Application of SMES to Improve Fault Voltage Ride Through Capability of Doubly Fed Induction Generator

Liu Jinhong1，2Zhang Hui1，2Li Jie1Yang Binghan1Min Yang1
（1. Xi'an University of Technology Xi'an 710048 China 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xian Jiao Tong University Xi'an 710049 China）

Recently， with the rapid increase of wind power generation， the trip off of wind farm will have an increasing impact on power system .In this paper， the fault ride through grid codes of wind farm is introduced at first， then a third-order phase model is used for superconducting magnetic energy storage （SMES）. The integrated control system of DFIG is divided into wind generator control system， rotor side and the stator side converter control system. SMES unit is used to improve fault ride through capability and dynamic response of DFIG. At last， the simulation model of SMES+DFIG are built in Matlab/Simulink， high voltage ride through（HVRT）grid code of the United States and low voltage ride through（LVRT）grid code of China are used to verify the ability of the SMES unit to avoid wind turbine generator from being disconnected from the grid.

Superconducting magnetic energy storage， fault voltage ride through， doubly fed induction generator， phasor model

TM921

国家自然科学基金（51277150、51307140），陕西省工业攻关计划（2013K07-05），陕西省教育厅产业化培育（14JF020），陕西省重点学科建设专项资金（105-5X1201），电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金（EIPE12209）资助项目。

2014-08-25 改稿日期 2015-04-08