直驱式永磁同步风机组低电压穿越的控制策略研究

崔立悦++高桂革++曾宪文

摘 要：永磁直驱风电机构成的直驱恒频变速发电系统可通过全功率变流器与电网连接。当电网发生故障时，不仅会对发电机造成损坏，还会影响风力发电系统的安全运行。分析了系统故障期间机侧网侧功率不平衡的机理，基于发电机转子惯性储能及换流器无功补偿能力，提出了一种新型直驱风力发电系统的网侧故障穿越策略。在电网侧故障期间通过提高转子转速配合直流侧储能系统消耗机侧富余功率，以减低直流系统输出的不平衡功率，抑制故障期间直流侧电压攀高。应用仿真软件建立了单机系统的模型，仿真结果验证了控制策略的有效性。

关键词：永磁风电机组；低电压穿越；储能设备；无功补偿

中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.015

近年来，风电技术得到了飞速发展，风电场的装机容量也逐年增高，风力发电对电网影响已经不可忽视。电网对风电机组的故障穿越能力的要求也越来越严格，其中，主要有对风电机组低电压穿越能力的要求。我国于2011年制定了风电技术接入电网的规定，不仅要求风电系统具备低電压穿越的要求，还要求低电压穿越期间风电机组具备一定的无功控制补偿能力。

直驱永磁发电机组（PMSG）与电网之间通过背靠背变流器实现了隔离，采用大功率变流器进行换流操作，相比双馈风机机组，在故障穿越能力和无功控制能力上具有更大的优势。目前，有不少研究者对该方面进行了改进研究，曾提出利用变流器控制直流电压稳定及电流正负序分量实现不对称故障穿越，而这需要对故障迅速反应，检测要求高；添加混合储能装置，故障时可吸收机侧输出功率，稳定直流链电压，实现故障穿越，但未发挥储能装置的后续作用；还有人提出了一种变流器控制方案，可调节机侧变流器输出功率，机侧变流器内环为快速响应电流环，外环为速度环，参考值最大功率跟踪，故障时可切换模式，降低电机转速，限制输出功率；有人提出网侧变流器故障下STATCOM运行模式，故障时可调整变流器功率因数，为电网提供无功支持；有人提出应减小电机输出功率，实现故障时低电压穿越控制，直流电压值基本保持稳定，但电机转速较高，对电机损伤较大。

本文提出了一种基于储能的低电压故障穿越控制策略，用以解决系统故障期间风电机组有功功率不平衡和无功功率的支撑的问题，实现了发电机的低电压穿越。采取风电机组惯性储能配合直流侧储能设备消耗来自电网电压跌落时产生的有功不平衡功率，故障期间网侧变流器采用电压控制模式运行，为系统提供了无功支持，最后通过仿真验证了控制策略的可行性和有效性。

1 直驱风力发电机模型

1.1 风电系统基本结构及动力模型

直驱永磁同步发电机组由风力发电机、机侧变流器、直流电容、网侧逆变器等组成。永磁发电机发出的交流电通过机侧整流器变为直流后，再由网侧逆变器转换成交流电输入电网。

常见风力发电机有三叶机、水平轴风电机，当风作用在风轮上，风轮只能吸收风能的一部分。由空气动力学可知，风机的输出功率为：

式（1）（2）中：S为叶片旋转面积；ρ为空气密度；Vw为风速；β为叶片的桨距角；λ为叶尖速比；ωw为风机转速；R为风轮半径。

根据贝茨理论可知，上述CP为风能系数，具体表达式如下：

在不同的β角和λ的取值情况下，可计算得到风力机的功率系数曲线。

1.2 系统低电压特性分析

本文采用直驱式永磁同步发电系统，风力发电机经背靠背双PWM变流器接入电网。风力发电机捕获的风能机械功率为Pm，发电机输出电磁功率为Ps，网侧变流器输出的有功功率为Pg. 在系统稳态且不计损耗的情况下，Pm=Ps=Pg. 发电机转速及直流母线电压都可保持稳定。

当电网侧故障时，电网侧电压跌落，由于系统功率震荡及变流器的限流控制，网侧变流器输出功率Pg不稳定。而因全功率变流器具有的隔离作用，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变化而变化，将导致直流侧功率的不平衡，直流母线电压升高和剧烈振动会影响风电系统的稳定运行。因此，为了抑制直流母线的振动，提高直驱永磁风电机的低电压穿越能力，需要在风机直流侧安装辅助设备，帮助消耗或存储风机的不平衡能量，从而实现低电压穿越。

2 低电压穿越的控制策略

早本文提出的控制策略中，直流母线电压与发电机定子电压受控于机侧变流器，而不是受控于网侧变流器，这种变换有利于故障时的系统低电压穿越能力。利用风电机组的机械惯性存储电网故障引起的不平衡能量。以往的控制方法都是转子转速超过额定转速时才进行变桨调节，而桨距角调节速度过慢，对短时故障的作用甚微。本文采取直流侧储能切入代替紧急变桨，从而存储故障时的不平衡能量。此外，网侧变流器还可控制输出有功功率和无功功率，在故障时向电网提供无功支持。

2.1 机侧变流器控制

发电机侧变流器控制方法在外环控制与传统方法不同，由定子电压和直流母线电压偏差产生发电机定子电流参考值i*sd和i*sq，isq控制发电机电磁功率与电网变流器输出有功功率始终相同，将直流侧功率的不平衡转变为发电机的机械功率和电磁功率的不平衡，并将不平衡能量存储在转子上转换为机械功率，从而实现低电压穿越。发电机侧变流器内环控制框图如图1所示，发电机侧变流器外环控制框图如图2所示。

2.2 网侧变流器控制

网侧变流器控制方法中，外环控制与传统控制的方法不同。电网侧逆变器通过对电网电压的判断，可实现网侧输出有功和无功功率的协调控制。当电网电压正常时，运行最大功率跟踪模式；当电网电压跌落时，运行无功功率优先控制模式。同时，为了避免有功电流突变引发直流侧电容充放电电流突变，在电网侧逆变器输出的有功电流控制环节增加了限流控制，有效抑制了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。

当因电网短路故障而引起电压跌落时，风电场在低电压穿越过程中向电网注入的无功电流为：

Iq≤1.5×（0.9-Ug）IN，0.2≤Ug≤0.9. （5）

式（5）中：Ug为风电场并网点电压标幺值；IN为风电场额定电流。

由式（5）可计算无功优先控制时的无功电流。电网侧变流器外环控制框图如图3所示。

2.3 低电压穿越控制流程

当电网侧发生故障时，电网侧电压跌落，参考网侧电压对机侧有功功率重新计算，减小有功参考值输出，使机侧输入功率与网侧输出功率动态平衡。由于机械功率无法突变，发电机转速会继续上升。如果轻度跌落，发电机转速未超过额定转速，系统成功实现低电压穿越；如果转速超出最大转速ωmax，则切除变桨停止转速上升，投入直流侧储能系统，消耗不平衡有功。如果将储能系统与变桨减出力协调控制，则能更好地实现低电压穿越。

3 系统仿真

为了验证所提出的控制策略效果，搭建了电系统仿真模型，主要参数如表1所示。电网轻度跌落各变量波形如图5所示。

由仿真結果图4可以看出，电网电压跌落20%时，电机转速上升，可储存多余的有功功率，直流侧电容电压升高，而电机转速在故障时间内持续上升，并超出系统安全值。在网侧故障切除后，电机转速逐渐下降至正常运行时的速度，系统实现低电压穿越。电网深度跌落变量波形如图6所示。

（a）电网侧电压 （b）电机转速

（c）机侧有功功率输出 （d）直流侧电容电压

由图5可以看出，当电网电压深度跌落80%时，跌落的瞬间电机转子转速呈直线迅速上升。在故障时间内，电机转速达到系统运行安全值，转速停止上升。此时，直流侧电压迅速攀高，投入直流侧储能装置，吸收剩余的电功率。直流侧电压回降，电机转速也随时间的推移降低。故障时间内能保持不脱网运行，最终实现了低电压穿越。

4 结束语

本文对电网电压跌落时直驱永磁发电系统的低电压穿越过程进行了研究，针对电机转子储能这一特点提出了一种新的控制策略，故障期间利用转子转速提升了惯性动量和直流侧储能系统，用以储存系统剩余功率，减小直流系统输出的不平衡功率，阻止直流侧电压攀高。仿真并验证了PMSG在此控制策略下的低电压穿越能力，具有一定的实用性。

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〔编辑：张思楠〕