直驱永磁风电系统低电压穿越控制策略

王林川,付 强,杨己正

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网大庆供电公司,黑龙江 大庆 163000)



直驱永磁风电系统低电压穿越控制策略

王林川1,付 强1,杨己正2

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网大庆供电公司,黑龙江 大庆 163000)

分析了基于全功率变换器的直驱式永磁同步风力发电机的低电压穿越机理,提出了新型控制策略,即用发电机侧变流器控制定子电压和直流母线电压,电网侧变流器跟踪最大风功率,实现输出有功功率与无功功率的协调控制,进而在全风速范围内实现风电机组的低电压穿越。通过建立仿真模型及其试验,验证了该控制策略的正确性和有效性。

直驱式永磁同步风力发电机组;低电压穿越;变流器控制;桨距角控制

随着风力发电在电网所占比例的不断增大,全功率变流器并网的直驱式永磁同步风力发电机组凭借其优秀、有效的可控性逐步受到了市场的青睐[1-2]。新公布的风电接入电网规定要求风电机组除了拥有低电压穿越能力之外,还要求拥有对电网故障恢复期间提供必要的无功支持的能力。当前,已有很多文献对直驱式永磁同步风力发电机组的低电压穿越控制策略进行了研究。文献[3]中指出直驱永磁风电机组实现低电压穿越的关键问题在于维持变流器直流环节电容电压的稳定。文献[4-5]指出在现有的控制策略中,选用发电机侧变流器跟踪最大风功率,电网侧变流器控制直流母线电压。而且,当电网电压下降时,将会造成发电机侧变流器输出功率与电网侧变流器输出功率的不平衡,引起直流母线处产生过电压、过电流,损坏变流器和直流母线电容。

为了进一步提升直驱式永磁同步风力发电机组的低电压穿越能力和对电网电压的动态无功支持能力,本文从能量的角度深入地研究了直驱式永磁同步风电机组低电压穿越问题并提出了解决方法,即用发电机侧变流器控制直流母线电压和发电机定子电压,电网侧变流器跟踪最大风功率,当电网电压跌落程度大时直接进行变桨距调节,从源头上消除电网电压跌落时产生的不平衡能量。

1 低电压特性分析

本文采用的直驱式永磁同步风力发电系结构如图1所示,风力发电机经背靠背双PWM变流器接入电网。

在图1中，风力发电机组捕获的机械功率为Pm,发电机输出的电磁功率为Ps,电网侧变流器输出的有功功率为Pg。在系统处于稳态且损耗可忽

略的情况下,有Pm=Ps=Pg,发电机转速和直流母线电压均可保持稳定。

图1 直驱永磁风电系统框图

当电网电压跌落时,由于系统的功率振荡和变流器的限流控制,风力发电机组电网侧输出功率Pg将不再稳定。加之全功率变流器的隔离作用,发电机侧变流器输出电磁功率Ps仅取决于风速的变化,不会随电网侧输出功率Pg的变化而变化,最终导致直流侧功率不平衡,同时直流母线电压升高和剧烈振动将会影响风电系统的稳定运行[6-7]。因此,为了抑制直流母线电压的振动,提高直驱式永磁同步风电机组的低电压穿越能力,需要在直流侧安装辅助设备,以帮助消耗或者存储不平衡能量,实现风电机组的低电压穿越。

2 新型控制策略

本文采用的控制策略如图2所示。

图2 新型控制策略框图

新型控制策略与传统控制策略不同的是直流母线电压和发电机定子电压受控于发电机侧变流器而非电网侧变流器,这种变换十分有利于提高电网电压故障条件下永磁直驱式风电机组的低电压穿越能力。同时,由于全功率变流器的隔离作用,当电网电压跌落时,发电机侧变流器不会受到电网侧的影响。所以,与已有的控制策略相比,采用发电机侧变流器控制直流母线电压,可以有效降低直流母线电压在电网电压跌落期间的升高与波动,从而有利于风电机组实现低电压穿越。该控制策略利用风电机组惯性存储来自电网电压跌落引起的不平衡能量,减少了卸荷电阻作用的时间。以前的控制方法都是当转子的转速超过额定转速时才进行变桨距调节,因桨距角调节速度慢,对于短时的电压跌落起不到实质性的作用,所以本文采用当电网电压小于0.7 p.u.时直接进行变桨距调节。此外,在新型控制策略中,电网侧变流器还具备输出有功功率和无功功率的协调控制的能力,可以在电网电压跌落期间向电网提供必要的无功功率支持。

2.1 发电机侧变流器控制

发电机侧变流器控制策略如图3、图4所示。

图3 发电机侧变流器内环控制框图

Fig.3 Generator-side converter inner control block

图4 发电机侧变流器外环控制框图

Fig.4 Generator-side converter outer control block

2.2 电网侧变流器控制

电网侧变流器外环控制框图如图5所示。

图5 电网侧变流器外环控制框图

Fig.5 Grid-side converter outer control block

电网侧变流器控制方法与以往的控制方法不同主要体现在外环控制上。电网侧逆变器通过判断电网电压来实现电网侧输出有功功率与无功功率的协调控制。当电网电压正常时,为有功功率优先的最大风功率跟踪控制;当电网电压跌落时,为无功功率优先控制。同时为避免有功电流突变所引发的直流侧电容充放电电流的突变,在电网侧逆变器输出的有功电流控制环节增加限流控制,从而有效抑制因电网侧逆变器工作模式切换而引起的直流侧电压的振动。所以，国家电网公司的并网技术规则要求总装机容量为百万千瓦级规模及以上的风电场群,当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时,每个风电场在低电压穿越过程中向电力系统注入的动态无功电流为:

Iq≥1.5×(0.9-Ug)IN, 0.2≤Ug≤0.9

式中,Ug为风电场并网点电压标幺值;IN为风电场额定电流。

无功功率优先控制时的无功电流可由该式计算得到。

2.3 桨距角控制

桨距角控制策略如图6所示。

图6 桨距角控制框图

当风速为额定风速及以上时,采用传统的控制方法使发电机不超速运行，同时限制风力机的出力。当风速小于额定风速且电网电压跌落程度大时,传统的控制方法都是当转子转速超过额定转速时才进行变桨距动作,考虑到变桨距动作速度较慢,起不到实质性的作用,故直接进行变桨距动作,从源头上减小转子所需承受的不平衡能量,而当电网电压跌落程度小时,可以先用转子承担此不平衡能量,当转子转速超过安全转速时,投入卸荷电阻,无需进行变桨距操作。

2.4 卸荷电阻控制

卸荷电阻的控制框图如图7所示。

当转子转速超过安全转速时,投入卸荷电阻进一步消耗不平衡能量。为了防止通过转速判断不够迅速,控制器增加了以直流侧电容电压Udc作为辅助的判断条件,以防止直流侧电压升高过快,当Udc大于其动作阈值Udcmax,卸荷电阻投入,当Udc小于某一值后,卸荷电阻退出。通过判断转子转速和电容电压Udc来投入和切除卸荷电阻时,需设置一个滞环比较环节,以防止卸荷电阻频繁的投切损坏设备。为了防止两组判断之间的交错影响,在通过某一判断条件投入卸荷电阻时,还要通过相同的判断条件切除卸荷电阻。

图7 卸荷电阻的控制框图

3 仿真分析

搭建风电系统的仿真模型,其主要参数为:发电机额定功率1.5 MW,额定电压690 V,极对数为36,惯性时间常数2 s;风力机叶片长度36 m,额定风速12 m/s,额定转速17.3 r/min;变流器直流电容容量200 000 μF,直流母线电压1200 V,变流器开关频率2 kHz;电网额定电压690 V,额定频率50 Hz。

3.1 风速为额定风速时的仿真

风速为10 m/s,电压在4 s时跌落为0.6 p.u.,持续625 ms时的仿真结果,如图8所示。

图8 额定风速时仿真图

由图8可见,当电网电压跌落时,发电机输出有功功率减少,直流母线处的不平衡能量由转子承担,当转速超过安全转速时,卸荷电阻投入。同时,电网侧输出无功功率增加对电网电压恢复有一定的支撑作用。直流侧电容电压波动较小,可实现低电压穿越。

3.2 风速小于额定风速时的仿真

风速为10 m/s,电压跌落为0.8 p.u.时的仿真,如图9所示;相同风速下,电压跌落为0.5 p.u.时的仿真,如图10所示,电压跌落持续的时间均为625 ms。

由图9、图10可知,当电网电压跌落程度低时,不平衡能量可全部由转子承担而无需启动卸荷电阻;当电网电压跌落程度较大时,桨距角变大,从源头上减小了不平衡能量,由于转子转速未超过安全转速,故卸荷电阻没有投入。两种情况下直流母线电容电压波动均较小,可实现低电压穿越。

图9 轻度跌落时仿真图

图10 深度跌落时仿真图

4 结 语

本文对直驱式永磁同步风电机组的低电压穿越控制进行了深入研究,提出了一种新型控制策略,即用发电机侧变流器控制直流母线电压和定子电压,电网侧变流器跟踪最大风功率并当电网电压跌落程度大时直接进行变桨距调节。另辅以卸荷

电阻控制,减少了卸荷电阻的投入时间。将电网电压跌落时产生的不平衡能量由发电机转子承担,当转子转速超过安全转速时投入卸荷电阻。仿真表明,在电网电压跌落期间,直流侧电容电压波动小,可实现低电压穿越,验证了本文提出控制策略的正确性和有效性。

[1] 张兴,张龙云,杨淑英,等.风力发电低电压穿越技术综述[J]电力系统及其自动化学报,2008,20(2): 1-8.

ZHANG Xing, ZHANG Longyun, YANG Shuying, et al. Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation [J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2008, 20(2): 1-8.

[2] 华泽嘉,高聚，陶维珣，等.几种风力发电机组低电压穿越技术分析[J].东北电力大学学报,2012.32(6):18-21.

HUA Zejia,GAO Ju, TAO Weixun, et al. Several LVRT Technical Analysis of wind turbine [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2012,32(6):18-21.

[3] 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.

LI Jianlin, HU Shuju, KONG Deguo, et al. Studies on the low voltage ride through capability of fully converted wind turbine with PMSG [J]. Automation of Electric Power Systems, 2008,32(19):92-95.

[4] 陈浩,胡晓波,严干贵,等.直驱永磁风力发电机组低电压穿越的协调控制策略[J].电网技术,2013,37(6): 1464-1470.

CHEN Hao, HU Riaobo, YAN Uangui, et al. A coordinated control strategy for low voltage ride-though of direct-drive permanent magnet wind power generating units [J]. Power System Technology, 2013,37(6):1464-1470.

[5] 田野,王冕,张艺枥，等.基于机电储能的永磁同步发电机低电压穿越控制策略[J].电力系统自动化,2012，36(7):17-21.

TIAN Ye, WANG Mian, ZHANG Yili, et al. A low voltage ride through control strategy for PMSG based on electromechanical energy storage [J]. Automation of Electric Power Systems, 2012，36(7):17-21.

[6] 张金平,汪宁渤,丁坤,等.永磁直驱风电系统故障穿越技术研究综述[J].电网与清洁能源,2013 29 (12):132-135.

ZHANG Jinping, WANG Ningbo, DING Kun, et al. Overview of fault ride-through for the permanent magnet direct-driven wind-power generation system [J]. Power System and Clean Energy, 2013,29(12):132-135.

[7] ALIZADEH O,,YAZDANI A. A strategy for real power control in a direct-drive PMSG-based wind energy conversion system [J].IEEE Trans on Power Delivery, 2013,28(3):1297-1305.

(责任编辑 郭金光,王莹莹)

LVRT control strategy for D-PMSG wind system

WANG Linchuan1, FU Qiang1, YANG Jizheng2

(1.College of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. State Grid Daqing Power Supply Company, Daqing 163000, China)

According to the analysis of the mechanism of low voltage ride through of direct drive permanent magnet synchronous generator based on full power converter, a new control method was proposed. It is a method which used generator-side converter to keep stator voltage and dc bus voltage stable, and grid-side converter to achieve maximum power tracking and coordination control of active and reactive power, so as to realize low-voltage ride through within all velocity range. Finally, through the simulation model and its test, it is verified that the method is correct and effective.

D-PMSG; LVRT; converter control; pitch angle control

2014-09-08。

王林川(1955—),男,教授,研究方向为电力系统稳定与控制。

付 强(1990—),男,硕士研究生，研究方向为风力发电。

TM762

A

2095-6843(2016)01-0001-05