基于超级电容的永磁直驱风电机组低电压穿越控制研究

朱少斌 李少纲

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

基于超级电容的永磁直驱风电机组低电压穿越控制研究

朱少斌 李少纲

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

通过分析传统永磁直驱风电系统的低电压穿越能力的原理与存在问题，其中选用超级电容储能系统与合适的控制策略，采用综合的网侧变流器控制方法，从而建立了相应的永磁直驱风电系统的仿真模型。仿真结果表明，采用超级电容储能系统与合适的控制策略，可以改善永磁直驱风电机组的低电压穿越能力。

永磁同步发电机；超级电容；低电压穿越；变流器控制

随着能源需求的不断增大，不可再生能源的不断减少，对可再生能源的开发已经成为各国可持续发展的重要内容。风电技术成熟，近年来得到广泛应用。其中永磁直驱风电机组由于其结构特点，具有机械损耗小、发电效率高、低维护成本等优点，在风电机组领域的发展前景很好。机组经背靠背变流器并网运行，当并网点电压跌落时，发电机与电网实现解耦，机组的运行特性不会受到影响，所以具有较好的低电压穿越（low voltage ride through,LVRT）能力[1]。随着风力发电并网容量不断增大，风力发电系统与电网间的相互影响变大，风电并网导则要求并网风电机组必须具备一定的 LVRT能力。

文献[2]通过在直流母线上加装卸荷支路提高系统的LVRT能力，当并网点电压跌落时，卸荷电阻支路导通，将直流侧上的不平衡功率通过热能的形式平抑掉，从而维持直流母线电压稳定。该方法增加了系统的散热设计，直流母线上的不平衡功率被浪费。文献[3]采用蓄电池储能系统连接在直流母线上，当并网点电压跌落时，通过控制储能系统将直流母线上的不平衡功率储存起来，维持母线电压稳定，提高了系统的LVRT能力。但所提的网侧变流器控制策略，未考虑并网点电压跌落时向电网提供无功补偿，以支撑电网电压，且蓄电池的充放电次数有限，存在使用周期短和维护成本高等问题。文献[4]采用在电网故障时改变网侧的控制方法，在并网点电压跌落程度不高的情况下，可以帮助系统“穿越”低压区域，但当电压跌落程度较大时，该方法的控制效果并不理想。文献[5]将超导储能系统连接到直流侧上，通过控制超导储能系统来平抑直流侧上的功率波动，以稳定母线电压。但是目前超导储能系统的投资运营成本太高且在设计系统时需加装冷却系统，增加了设计难度。

针对上述方法存在的不足，本文充分发挥超级电容所具有的响应速度快、可循环使用次数多和功率密度高等优点，在直流母线侧并接超级电容储能系统，提出合适的储能系统的控制策略，与综合的网侧变换器控制方法相配合，以提高风电机组的LVRT能力。

1 基于超级电容的永磁直驱风电机组并网系统的数学模型与系统结构

1.1 系统结构

本文研究的风电并网结构如图1所示。风力机经传动轴带动永磁同步发电机，再通过背靠背变流器连接到电网上，将超级电容储能系统经双向DC/DC变流器并联到直流侧上。

图1 含超级电容的永磁风电机组并网图形

图1中，将不同的控制方法运用到储能系统上，可以使不同的控制目标得以实现。例如通过控制超级电容储能系统平滑并网功率，提高风电并网电能质量[6-7]；或者在并网点电压跌落情况下，将直流侧上堆积的功率存储到超级电容中，稳定母线电压[8-9]。电网故障主要有单相接地短路、两相相间短路、两相接地和三相短路，而发生三相短路对电网危害最大。本文主要研究永磁直驱风电机组在电网发生三相短路状态下的低电压穿越，通过控制储能系统与改进的网侧控制策略协调配合，以有效的改善永磁风电机组的LVRT能力。

1.2 永磁同步电机的数学模型

此模型忽略磁饱和、磁滞损耗等影响。在电路定律基础上，通过坐标变换，推出 d-q坐标系下直驱式永磁机的数学模型如下：

式中，usd、usq为定子电压d-q轴分量；ωs为电角速度；Rs为定子电阻；isd、isq为定子电流d-q轴分量；ψf为转子励磁磁链；Ld、Lq为定子d-q轴同步电感。

1.3 网侧变流器的数学模型

选取dq坐标系中d轴作为电网侧电压空间矢量方向，q轴超前d轴90°，则网侧变流器数学模型为[10]

式中，ugd、ugq为电网三相电压d-q轴分量；ud、uq为网侧输出三相电压d-q轴分量；id、iq为电网三相电流d-q轴分量；L、R分别为并网滤波电感和电阻；ωg为电网电压角频率。

2 基于超级电容的直驱式风电机组的控制方法

2.1 电机侧控制策略

本文采用的机侧变流器运行控制方式如图2所示[11]。考虑到永磁直驱发电机无需供给励磁电流，因此可以把q轴作为定子电流的合成矢量方向，其中定子电流都被用来产生电磁转矩，可以对定子电流q轴分量大小的控制，达到对永磁机有功功率输出的控制目的。分析永磁直驱风电系统的工作原理可知，针对特定的风速，发电机要运行在对应的转速下才能捕获最大风能，所以可以由MPPT得到控制方法中的转速外环参考值。

图2 机侧变流器控制方式

根据转速偏差的大小，在通过PI调节后能求出q轴电流分量的参考值：

通常情况下，永磁机工作在单位功率因数状态下，对d轴电流分量大小的控制可以实现永磁机输出无功功率的控制，所以把d轴电流参考值设定成零。电流偏差大小经过PI调节后，再加上前馈补偿就能求出调制电压d-q参考值，即

得到调制电压 d-q轴参考值后，再使用坐标变换采用空间矢量调制（space vector pluse width modulation,SVPWM）产生对应的触发脉冲，就能达到控制变流器开关管的目的。

2.2 综合的电网侧控制策略

我国最新的风电并网导则规定，在电网故障时，网侧变流器应该向电网提供无功功率，以维持电网的稳定，帮助风电机组实现低电压穿越。本文采用的综合的网侧变流器控制方式如图3所示，即电网正常运行时，控制目的是为了实现运行在单位功率因数和稳定直流母线电压。当风电并网点电压在额定电压的 20%～90%范围内，风电系统需要向电网提供无功补偿来帮助电网电压恢复，输入电网的无功电流大小为

式中，igqref2为电网故障时输入电网无功电流参考值；ugpu为电网故障时电网电压标幺值；IN为风电机组额定电流。

当检测到并网点电压跌落时，网侧变流器的控制目标变为依据电网电压跌落的程度，输出无功电流支撑电网电压，以改善机组的LVRT能力。

此时，有功电流的输出受逆变器的容量限制，其限定值为

式中，igmax为网侧逆变器允许输出的最大电流。

图3 网侧变流器控制方式

直流电压与给定值比较后输入PI调节器，输出值为原有功电流的参考值igdref1，取igdref1和igdref2两者中较小值作为网侧变流器有功电流输出的参考值。当igdref1＜igdref2时，说明电压外环的调节还能将直流侧电压限制在允许范围内，维持其稳定。当igdref1＞igdref2时，说明只靠电压外环控制已无法使直流侧电压报保持在限定区域内。此时就必须把直流侧储能保护电路切入到运行状态，将直流母线上堆积的功率存储起来，使直流侧电压恢复到允许范围之内。

2.3 超级电容储能系统控制策略

当检测到风电并网点电压跌落时，储能系统投入工作，其控制策略如图4所示，采用电压外环控制和电流内环控制的双闭环控制。电压外环是为了实现维持直流侧电压稳定，电流内环加快了电流指令的跟踪，提高了储能系统的响应速度。

图4 储能系统的控制方式

故障结束后，检测超级电容的荷电状态，将超级电容吸收（释放）的能量释放（吸收），恢复到初始状态，为下次故障做准备。

3 仿真分析

根据上述模型与控制策略，在Matlab/Simulink中，搭建图1所示带超级电容储能系统永磁直驱风电系统的仿真实验模型。主要仿真参数如下：风机叶轮半径为 34m，额定风速为 13m/s，额定功率为2MW，永磁同步电机极对数为30，发电机定子电阻为 0.0062Ω；直流母线额定电压为 1500V，母线电容为0.06F；电网额定电压为690V，额定频率50Hz；滤波电感为2mH；超级电容容量为3F。

图5所示为系统不含储能的仿真波形。0.5s时，电网发生三相短路故障，电网电压跌落至额定电压的20%，持续时间为625ms。当并网点电压跌落时，为了将机侧输入的功率输出，网侧变流器输出电流势必增大，而变流器的热容量有限，所以必须限制并网电流的大小在最大值以内，本文设置的并网电流最大值为额定电流的 1.2倍。如图 5所示，电压降至 0.2p.u.，并网电流逐渐增大到最大值，由于电压跌落较大，所以网侧的输出功率大大减少，这将导致多余的功率在直流母线上累积，使得母线电压持续升高。故障切除后网侧电压恢复正常，而直流侧堆积的多余功率需要释放，使得并网电流并没有恢复正常，输出功率也出现超调，且直流母线电压和并网电流的恢复速度较慢，说明该系统需要改善其低电压穿越能力。

图6所示为系统带超级电容储能系统的仿真波形，由图6可知，当发生故障时，储能系统迅速动作，将直流侧上多余的能量储存起来，使直流侧电压波动很快稳定下来。网侧变流器的控制由单位功率因数输出转变为优先输出无功功率，向电网注入无功电流，加快电网电压的恢复速度，且在故障切除后，后网侧变流器又恢复到单位功率因数输出的运行状态。

图5 不含储能的LVRT波形

图6 含超级电容的LVRT波形

4 结论

针对传统的永磁直驱风电系统，在分析其模型的基础上，将超级电容储能系统应用到直流侧。通过控制储能系统快速平抑直流母线上的功率不平衡，与综合的网侧变流器控制策略相配合，可以明显改善永磁直驱风电系统的LVRT能力。

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Study on LVRT Control Strategy of Permanent Magnet Directly-driven Wind Turbine based on Super Capacitor

Zhu Shaobin Li Shaogang
(College of Electrical Engineering and Automation,FuzhouUniversity,Fuzhou 350108)

This paper analyzes the theory ofthe low-voltage ride throughcapability in the classical permanent magnet directly-driven wind power system and discusses the inherent problem.With super capacitor energy storage system and adaptive control strategy,acomprehensivecontrol method of line-side converter is proposed.Matlab simulation of permanent magnet directly-driven wind power systemis carried out.The results confirm thatsuper capacitor energy storage system and appropriate control strategy can improve the low-voltage ride through capability of permanent magnet directly-driven wind turbine.

permanent magnet synchronous generator;super capacitor;low voltage ride through;converter control

朱少斌（1990-），男，硕士研究生，研究方向为新能源应用与节能技术。