超级电容储能直驱永磁风电机的高电压穿越控制策略

薛 易，陈 元，张 帅

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨150022)

0 引 言

风力新能源发电系统的应用日益广泛，并网装机总容量日益增加，其在电网故障条件下的运行方式与控制策略已直接影响到电力系统的安全稳定运行[1]。国家规定所并入的风电机应有较好的高电压穿越能力，即在电网电压过高的一定时间范围内，不仅不允许机组脱网，而且需要向电网提供一定容量的无功支撑以恢复电网电压[2]。在传统风电机高电压穿越方法中，通过增加硬件电路来消耗故障期间的多余能量，不仅会降低发电机效率，也会增加发电机发热，造成一定的安全隐患。采用外加储能装置能够使发电机的能量利用效率得到提高[3-4]。

王永强等[5]提出在高电压穿越期间在直流侧并联斩波电路，根据母线电压骤升程度的不同改变耗能电阻值的大小，控制母线电压骤升态势，抑制直流电压的剧烈波动，提高了永磁直驱风电机组的高电压穿越能力。孙谊媊等[6]给出一种网侧变流器优化控制策略，使之优先输出感性无功功率对故障电网进行无功支撑。蒋永梅等[7]提出采用外设装置实现高电压故障中风电机组波动功率的控制，提升机组高电压穿越能力，加快系统有功恢复。为提高直驱永磁风电机的高电压穿越能力，笔者提出在直流侧并联CUK式双向DC变换器吸收直流侧多余能量，稳定母线电压，保护网侧逆变器的安全，通过搭建模型验证该方案的可行性。

1 直驱永磁风电机的拓扑结构

含有CUK式双向DC变换器控制超级电容组的直驱永磁风电机电路拓扑结构如图 1所示。

图1 直驱永磁风电机的拓扑结构 Fig. 1 Topology of direct drive parmanent magnet wind motor

由图1可见，Pm为直驱永磁风电机输出的机械功率；Pe为发电机侧流向直流侧的有功功率；Pg为电网侧转换器输出的有功功率；Pdc为直流侧的有功功率；Png为从电网流向直流侧的反向有功功率；Udc为直流侧母线电压；Csc为超级电容组。

在电网系统稳态运行时，功率平衡关系：

Pe=Pm=Pg。

(1)

电网电压升高时，直驱永磁风电机并网侧的电压也会升高，由于电网侧逆变器功率容量限制，从电网侧转换器输出的有功电流会减小，而电网本身需要保持功率平衡。由于电网潮流的可逆性，电网的多余能量将逆流至网侧逆变器，导致直流侧电压升高。此时，功率关系：

Pe+Png-Pg=Pdc=UdcIdc。

(2)

由式(2)可知，直流侧电压Udc大小与发电机侧的输出功率Pe，电网侧逆变器的输出功率Pg以及电网逆向功率Png有关。根据式(2)，高电压穿越期间，欲降低直流侧电压Udc，可以减小发电机侧的输出功率Pe，减小网侧变流器的输出功率Pg，或增大电网逆向有功功率Png等来实现。但发电机侧变桨系统的转速难以瞬间改变，并且按照直驱永磁风电机的设计理念，必须避免电网故障对电网的机械和电气设备所产生的瞬时影响[4]。当电网电压升高时，由于电网的潮流存在可逆性，有部分的Png逆流到直流侧，同时也难以实现Pg的增加，因此，解决高电压穿越引起的Udc骤升问题，很难通过直驱永磁风电机系统的自身调节来实现，但，可以采用超级电容组吸收直流侧多余能量来稳定直流侧的母线电压Udc。

2 双向DC控制器和直驱永磁风电机模型

2.1 CUK式双向DC变换器

CUK式双向DC变换器的拓扑结构如图 2所示。充电时的工作过程如图 3所示。

图2 含有超级电容组的CUK式双向DC-DC变换器Fig. 2 A CUK bidirectional DC-DC converter with a super capacitor bank

S2导通时，直流侧电容Cdc向电感L2充电，电容C经过超级电容Csc和电感L1放电。VD2导通时，直流侧电容Cdc和电感L2向电容C充电，电感L1向超级电容Csc充电。

图3 双向DC变换器充电过程Fig. 3 Charging process of bidirectional DC converter

放电时的工作过程如图 4所示。S1导通时，超级电容Csc通过电感L1放电，电容C通过直流侧电容Cdc和电感L2放电。VD1导通时，超级电容Csc和电感L1通过电容C放电，电感L2通过直流侧电容Cdc放电。

图4 双向DC变换器放电过程Fig. 4 Discharge process of bidirectional DC converter

2.2 风力机模型

由风能捕获原理得，风力机所捕获的功率：

(3)

风力机的机械输出转矩:

(4)

发电机转子的转速:

(5)

风能利用系数:

(6)

式中：ρ——空气密度，kg/m3；

R——风力机转子半径，m；

γ——叶尖速比；

θ——桨距角，(°)；

vw——风速，m/s。

2.3 网侧数学模型

网侧变流器的拓扑结构如图 5所示。

图5 网侧变流器的拓扑结构Fig. 5 Topological structure of grid side converter

Lg、Rg为网侧变流器线路的电感和电阻，Cdc为直流侧电容，Udc为母线电压。在a、b、c三相的坐标系下，电网一侧逆变器的参考量都是时变的交流量，不利于网侧逆变器的控制器设计。因此，采用park变换的方式，将三相坐标系中的交流时变量，转换为两相坐标系下的直流量，这样既有利于控制器的设计，也有利于后续的计算。因此，在两相的dq坐标轴下，对网侧变流器进行坐标变换得到其数学模型[6]为：

(7)

式中：ud、uq——网侧电压dq轴分量；

ugd、ugq——电网电压dq轴分量；

igd、igq——电网电流dq轴分量；

ωe——电网角频率。

若忽略直流侧和网侧的功率损耗，则电网侧逆变器流向电网的有功功率Pg和无功功率Qg[6]为：

(8)

3 双向DC变换器和直驱永磁风电机控制器

3.1 CUK式双向DC变换器控制器

变换器的控制器设计采用电压电流双环控制。控制超级电容的充放电来吸收电网逆流到直流侧的多余能量，稳定直流侧的母线电压，保证并网逆变器和直流侧电容安全[8-10]。双向DC变换器的控制框图如图 6所示。

电压外环控制是通过直流侧电压参考值Ubr与直流侧电压实际值Ub比较得偏差值，经PI控制器调节后输出电流内环参考值Isr，电流内环参考值Isr与CUK电路中实际电流值Isc比较得偏差值，经PI控制器调节后的电流输出信号经PWM信号发生器生成控制S1、S2导通关断的信号，从而控制超级电容组的充放电功能。

图6 双向DC变换器的控制原理Fig. 6 Control principle of bidirectional DC converter

3.2 网侧变流器控制器

网侧变流器的控制器采用电压电流的双环控制。通过控制电流有功分量提高直流侧电压稳定性。实现对有功和无功功率的解耦控制，使分布式电源输出的有功功率传输到电网，并在需要时为电网提供无功支持。网侧变流器的控制分为稳态运行和高电压穿越期间运行两部分。网侧变流器的控制流程如图 7所示。

图7 网侧变流器的控制结构Fig. 7 Control structure of grid side converter

网侧变流器的无功电流受电网电压升高程度的影响，为避免过补偿，电网电压骤升值和额定无功电流补偿值计算公式[11]：

(9)

为保护变流器以免发生过电流，要求有功电流igd幅值应满足[12]：

(10)

Uref——实测电网电压有效值；

iN——机组额定电流；

imax——网侧变流器最大允许电流值。

3.3 高电压穿越控制策略

高电压穿越控制流程如图 8所示。

图8 高电压穿越控制流程Fig. 8 Tontrol of high voltage ride process thraogh

4 仿真验证分析

采用Matlab建立含有双向CUK式DC变换器的直驱永磁风电机和控制器模型。无储能装置的情况下，电网电压升高到1.2(标幺值)时，分析结果如图9所示。加入CUK式双向DC变换器后的模拟分析结果，如图10所示。

图9 传统控制下电网电压骤升的仿真结果Fig. 9 Simulation results of power network voltage surge under traditional control

设置电网电压升高至1.2(标幺值)时，故障时间0.2 s。直驱永磁风电机额定功率2 MW，极对数52，网侧额定输出电压690 V，额定频率50 Hz，直流侧额定电压1 200 V，额定风速12 m/s，超级电容容量20 F。

研究了高电压穿越期间，传统情况(无储能装置)下的直驱永磁风电机仿真特性和含有双向DC变换器的直驱永磁风电机的仿真特性。在0.8 s时，如图9a所示，电网电压升高至1.2(标幺值)时的图形；如图9b所示，网侧输出电流降低且在1 s时产生畸变幅度较大的波形。

图10 含超级电容组的电网电压骤升的仿真结果Fig. 10 Simulation results of power grid voltage surge with supercapacitor bank

由此可以得出，在传统控制下，电网电压骤升将会引起整个风电机组脱网的危险。从图9c可以看出，直流侧电压已升高至2 400 V左右，是电网稳态运行时的两倍。从图10可以看出，逆变器向电网注入感性无功功率对电网进行无功补偿。网侧的无功输出由0升高至0.7 MVar，由于在高电压穿越期间对无功进行优先输出，有功的输出受到限制，有功输出相比电网稳态运行时降低0.3 MW。

从图10a可以看出，网侧输出电流波形在故障结束时，波形幅度相比传统控制时变小许多。同时，由于超级电容组吸收了直流侧多余的能量，从图10b可以看出，母线电压在电网电压骤升期间基本保持稳定，实现了直驱永磁风电机不脱网运行。

在高电压穿越期间，根据3.1节分析CUK变换器的工作过程如图 11所示。

图11 超级电容组的运行结果Fig. 11 Operation results of supercapacitor bank

由图11可见，当电流反向的时候，变换器工作在充电状态，即吸收直流侧多余能量。超级电容端电压以及荷电量均增加。

5 结 论

提出一种含超级电容储能的直驱永磁风电机高电压穿越控制策略，以提高直驱永磁风电机的高压穿越能力。

(1)建立了使用CUK双向DC转换器控制超级电容器的充电和放电的直驱永磁风电机模型。当电网电压升至1.2(标幺值)时，未加外设储能装置的直驱永磁风电机会因直流侧电压过高而有脱网的危险。

(2)提出CUK式双向DC变换器去控制超级电容吸收直流侧多余能量这一方案，高电压穿越期间直流母线电压骤升幅度降低了4.6%，并在高电压穿越期间为电网提供了感性无功补偿，提高了直驱永磁风电机的高电压穿越能力。