基于SMES-SFCL 直驱永磁风电并网故障穿越能力

王 敏，周羽生，杨 航，李颖许

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114）

由于海上风电相比于陆地风电具有风能资源丰富、不占土地面积等优点，近年来发展迅速[1]。随着风电装机容量的不断扩大，且风速具有随机性和间歇性的特点，使风电机组的输出功率不能确定[2]，对电网的影响将越来越大。电网电压跌落时若直接切机则会导致电压进一步下降，因此风电低电压穿越能力和功率输出波动直接影响电网的安全与稳定。

目前，随着大容量永磁直驱同步发电机组DDPMSG（direct-drive permanent magnet synchronous generator）技术的突破，其将在海上风电开发中得到广泛应用。DD-PMSG属于非耦合型机组，发电机和电网之间由背靠背变流器隔离，两者完全解耦，导致发电机的转速范围增大，使网侧变流器GSC（grid-side converter）可进行连续的无功调节以支撑电网电压。

目前，低电压穿越技术主要采用在直流母线侧增加硬件设备和改进控制策略两种类型。文献[3]采用超级电容储能；文献[4]使用附加电阻来消耗直流母线上多余的能量；文献[5]采用增加静止无功补偿器的方法。文献[6]提出瞬时对称分量法，不增加额外装置成本，通过减小直流母线上的过电压和过电流改善低电压穿越能力。如何克服电容器充放次数受限，充分利用电网故障时直流母线多余能量，平滑功率输出，是风电并网技术尚待解决的难题。在风电并网系统中利用超导磁储能SMES（superconducting magnetic energy storage）系统作为储能装置，采用电阻型超导故障限流器R-SFCL（superconducting fault current limiter）来提高风电的低电压穿越能力[7]，为风电并网安全与稳定控制提供新的技术。

本文提出一种应用超导磁储能-超导故障限流SMES-SFCL（superconducting magnetic energy storage-superconducting fault current limiter）与无功控制来改善风电机组低压穿越能力和功率输出波动问题的技术方案。当电网正常运行时，利用SMES 吸收和释放功率来平滑风电机组的有功输出，此时SFCL处于超导状态，电阻近似为零，不影响系统的正常运行[8]；当电网电压跌落时，利用SMES 吸收直流侧的剩余功率，同时，由于故障电流大于R-SFCL的临界电流，使其发生失超，阻值迅速增大，GSC的端电压升高，增强了GSC 的功率输出能力，有效地抑制直流母线电压的上升，提高了无功输出能力，支撑电网电压恢复。

1 SMES-SFCL 系统的工作原理和数学模型

DD-PMSG的拓扑结构如图1所示。SMES系统连接在直流母线上，通过超导线圈的能量交换来平滑有功输出和提高低电压穿越能力。

图1 SMES-SFCL 永磁直驱风力发电系统Fig.1 Direct drive permanent magnet wind power generation system based on SMES-SFCL

直流母线用于传递机侧变流器MSC（machineside converter）和GSC 之间的能量交换，其功率关系[9]可表示为

式中：Pe、Pg分别为MSC和GSC输出的有功功率；ΔP为直流侧剩余功率；C为直流母线电容；Udc为直流母线电压。

当电网电压正常时，Pe=Pg，ΔP=0，Udc保持恒定；当电网发生故障导致电压跌落时，GSC 功率输出能力减弱，Pg减小，由于风机与电网之间由变换器隔离，发电机仍然维持原来的输出功率，Pe保持不变，ΔP＞0，导致直流母线过压。因此，电网故障期间风电机组保持并网的关键是消除直流环节的剩余功率，防止直流母线过电压。SFCL 可以提高GSC 的输出功率，剩余功率由SMES 吸收，能有效改善直流侧的功率波动，减缓直流母线电压的升高。

1.1 R-SFCL 工作原理及数学模型

R-SFCL是利用超导体在故障期间因电流增大而失超，短时间内电阻值迅速增大来限制短路电流[10]。相较于普通的故障限流器，SFCL可以在短路电流第1个峰值到来前阻值迅速增大，以此限制短路冲击电流，能降低系统的热稳定性和动稳定性要求。当故障被切除后，又可以自动恢复，集自动检测、自动限流、自动恢复于一体[11]。

当超导线圈处于特定的环境下，即电流、磁场、温度均处于临界条件下时，其阻值近似为零，呈现超导状态，如图2所示。图2中，RSFCL为SFCL失超电阻，RS为SFCL旁路电阻。当其中任意一个约束条件超过临界值时，超导线圈将会发生失超，此时电阻迅速增大。

图2 R-SFCL 基本原理示意Fig.2 Schematic of basic principle for resistive current limiter

当电网发生故障时，短路电流迅速增大，SFCL因电流大于临界值而发生失超，迅速地由零阻值转变为高阻值。旁路电阻RS在失超后起到分流的作用，可以减少SFCL的电流，避免因过流而损坏。

图3 为SFCL 在失超和失超恢复过程中的电阻RSFCL变化曲线。其中，τ1、τ2分别为RSFCL失超和失超恢复过程的时间常数。在0～t0时段，SFCL 处于超导状态，阻值为0；在t0～t1时段，SFCL 因故障电流超过临界电流而发生失超，这一过程发生时间极短，通常在100 ns内完成，其阻值RSFCL按指数增加[12]，即

图3 失超及失超恢复过程电阻变化曲线Fig.3 Resistance curve during quench and quench recovery

故障期间SFCL 的阻值一直维持在最大值Rm。当电网恢复正常时，电流恢复到正常值，SFCL处于临界条件下自动恢复超导状态。t2～t3时段是失超恢复过程，SFCL的阻值RSFCL按指数下降，即

当故障发生时，SFCL 迅速地由零阻值变为高阻值，其两端的电压也由零上升到某一值。因此，GSC的电压ugsc将升高，且高于电网的故障电压，即

式中：为电网故障电压；ugsc、ig分别为GSC输出电压和输出电流。

综上，SFCL能有效提高GSC的功率输出能力，缓解直流母线电压的上升。

1.2 SMES 工作原理及数学模型

SMES 是通过超导线圈SC（superconducting coil）完成电能和磁场能转换的储能系统。在电网正常运行时，若风力机的有功输出大于平均功率，SMES吸收功率；若小于平均功率时则释放功率，以此来平滑有功输出。SMES中储存的能量可表示为

式中：WSMES为SMES储存的能量；Lsc、isc分别为超导线圈电感和流过SMES的电流。

2 控制方式

2.1 机侧控制

机侧的控制目标是控制发电机的有功输出。采用基于转子磁链定向的双闭环控制策略，通过位置传感器检测得到转子位置信号后用于d、q变换，将三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系下，可以实现PI 调节的无稳态误差跟踪。DD-PMSG 在d、q坐标系下的电压方程可表示为

式中：usd、usq、isd、isq分别为发电机d、q轴坐标分量下的电压和电流；Lsd、Lsq为定子d、q轴坐标分量下的电感；rs、ψr和ωr分别为定子电阻、转子磁链和电机同步角速度。

由式（6）可知，发电机d、q坐标系下的定子电压分量和定子电流分量存在着交叉耦合项，采用前馈补偿策略来消除交叉耦合项的影响，使电压分量可对电流分量解耦控制，即

GSC控制如图4所示，由图4可知，采用双闭环控制策略，外环采用有功闭环PI 控制，Ps由q轴电流isq决定。Psref为风电机组的有功指令值，调节励磁转矩以捕获最大风能，其由最大功率点追踪MPPT（maximum power point tracking）控制系统决定，输出的有功功率随风速不断变化，通过SMES的吸收、释放功率来平滑机组的有功输出。

图4 GSC 控制框图Fig.4 Control block diagram of GSC

2.2 网侧控制

GSC的控制目标是控制直流母线电压恒定，控制无功功率的输出。GSC在d、q坐标系下数学模型可表示为

式中：ugd、ugq、igd、igq分别为GSC 经过d、q变换后的电压、电流分量；md、mq分别为旋转变换后的等效d、q轴调制比；Lg、Rg分别为变流器并网电感、电阻；ωg为电网角频率。

GSC输出电压和电流的d、q分量存在着交叉耦合项，采用前馈补偿策略消除耦合项的影响。令d轴方向与电网电压矢量方向一致，则有

式中，ugm为电网相电压幅值，此时GSC输出的有功功率Pg和无功功率Qg可表示为

由式（10）可知，Pg、Qg可以解耦控制，d轴回路控制直流电压，q轴回路控制无功功率[13]。电网电压正常时，工作在单位功率因数运行模式（模式1），令Qref=0，此时由d轴实现直流侧的稳压，q轴控制无功功率输出为0。该模式下风电机组只输出有功功率，不输出无功，同时稳定直流侧的电压，间接实现机侧网侧功率平衡。

当电网电压跌落时，工作在静止无功补偿运行模式（模式2），令igdref=0，则igqref=igmax，变流器尽可能地输出无功，以支撑电网电压。当GSC工作于静止无功补偿运行模式时，通过SFCL 提高GSC 的输出功率，剩余的功率由SMES吸收存储，以达到机侧和网侧的功率平衡，直流母线的电压仍然可以维持恒定。GSC控制如图5所示。

图5 GSC 控制框图Fig.5 Control block diagram of GSC

2.3 SMES 控制

SMES 的拓扑结构如图6 所示，其中G1、G2为晶闸管；D1、D2为二极管；SC 为超导线圈。SMES线圈通过直流斩波器接入直流母线，斩波器有3种运行方式：当G1、G2导通，D1、D2截止时，SMES工作在充电模式[14]，isc增大，SMES 从直流侧吸收能量；当G1、G2截止，D1、D2导通时，SMES工作在放电模式，isc减小，SMES 将能量释放给直流侧；当G1、D1导通，G2、D2关断时，isc通过SC、D1和G1在SMES 内部环流，SMES 不与外界发生功率交换，若忽略开关元件的损耗，SMES 中储存的电磁能保持不变[15]。

图6 SMES 通过直流斩波接入直流母线示意Fig.6 Schematic of SMES connected to DC bus through DC chopper

SMES 的控制策略如图7 所示，由图7 可知，为了更好地实现直流环节的功率平衡，加入功率矫正环节，从而控制直流母线电压的恒定[16]。当ΔP＞0时，SMES工作在充电模式，吸收直流母线上多余的功率；当ΔP＜0 时，SMES 工作在放电模式，将功率释放给直流母线；当ΔP=0 时，机侧网侧功率达到平衡，SMES不与直流侧发生功率交换。

图7 SMES 控制框图Fig.7 Control block diagram of SMES

3 仿真分析

为了验证本文方案的有效性，在Matlab/Simulink环境下搭建图1所示的拓扑结构仿真模型。网侧额定电压为690 V，滤波电阻和电感分别为0.014 7 Ω和0.004 9 H，直流母线电容为0.04 F，直流电压为1 100 V，超导线圈的电感为6.85 H。DD-PMSG 参数如表1所示。

表1 DD-PMSG 参数Tab.1 Parameters of DD-PMSG

3.1 电压正常时的仿真分析

因为风速的随机波动性，没有安装SMES时，网侧的有功输出会随风速的波动而变化，此时输出的电能质量较差。由于SMES 能吸收和释放功率，装设了SMES 后可以显著改善GSC 输出功率的波动。图8 为电网正常运行时SMES 功率PSMES对GSC 的有功输出Pgsc的影响。

图8 SMES 对GSC 输出有功功率的影响Fig.8 Influence of SMES on output active power from GSC

3.2 电压跌落时的仿真分析

三相接地故障最严重，电压跌落程度最深，因此重点对三相短路故障情况进行分析。设电网在时间t=1 s时发生电压跌落，持续0.5 s，电网电压跌落80%，GSC 采用1.5 倍限流措施。采用与其他方案进行对比的方法来验证本文方案的优越性。

3.2.1 网侧变流器的输出

在三相短路故障下，采用不同方案时GSC输出功率仿真结果如图9 所示。图9（a）中没有采用任何的低电压穿越措施，电网发生故障时迅速地跌落到0.2 p.u.，由于变流器采用了1.5倍限流措施，有功输出跌落后又上升到0.3 p.u.。图9（b）采用无功功率控制，有功输出减少，无功输出增加。图9（c）中的SFCL 在电压跌落时发生失超，使得GSC 的电压上升，功率输出能力得到增强，GSC 的电流上升到故障前的1.5 倍，与图9（a）相比，能输出较高的有功功率，但不能提供无功。图9（d）采用SMES-SFCL 和无功功率的综合控制，通过SFCL 的失超提高GSC的输出能力，可以最大程度地输出无功功率以支撑电网电压。图9（d）与图9（b）相比，GSC 的功率输出能力明显得到增强，能输出更多的无功功率。图9（d）与图9（c）相比，可以有效缓解电网无功功率不足的问题。图9（e）仅采用SFCL 和无功控制，没有安装SMES。图9（e）与图9（d）相比，仅安装SFCL 时，系统输出的无功功率降低了11.1%。采用SMES-SFCL 加无功控制可有效提高系统故障时风电机组无功输出能力，以支撑电网电压恢复。

图9 三相短路故障下采用不同方案时GSC 的输出功率Fig.9 Output power from GSC under three-phase shortcircuit fault in different schemes

3.2.2 直流母线电压

三相短路故障下采用不同方案时直流母线电压的波形如图10 所示。图10（a）为没有采用任何改进方案，故障时直流侧电压上升最严重。图10（b）采用无功功率控制，但对抑制直流母线电压的上升没有明显作用。图10（c）与图10（d）采用了SMES-SFCL，可以通过SFCL提高GSC的输出能力，剩余的功率差额由SMES 吸收，能有效地减缓直流侧的功率剩余，从而抑制直流母线电压上升。图10（e）仅采用SFCL和无功功率控制，相较于SMESSFCL，没有SMES 在直流侧吸收剩余功率，直流母线电压更高，且波动较大。图10（d）与图10（e）相比，安装SMES 后，直流母线电压峰值降低了61.7%。可见，采用SMES限流系统加无功控制有效抑制了电网电压跌落时直流母线电压上升，提高了风电机组故障穿越能力。

图10 三相短路故障下采用不同方案时的UdcFig.10 Udc under three-phase short-circuit fault in different schemes

通过以上不同情况下的对比分析可以发现，电网电压正常时，SMES 通过吸收和释放功率可以有效地平滑有功功率输出。电网电压跌落时，SMESSFCL 可以提高GSC 的输出功率，吸收和消耗直流侧的剩余有功功率，保障直流母线电压的稳定。同时通过无功功率控制能有效增大输出无功功率，支撑电网电压恢复[17]。

4 结语

针对永磁直驱风电系统低电压穿越能力和输出功率波动问题，提出了基于SMES-SFCL加无功功率控制方案。在网侧电压正常时，可以通过SMES的功率交换来平滑GSC的有功输出；在电网电压跌落时，SMES可以吸收直流侧的剩余有功功率，抑制直流侧的过电压，同时SFCL因过流而失超，阻值增大，GSC 的功率输出能力增强，可以输出更多的无功功率支撑电网电压。仿真结果表明了该方法的有效性，提高了风电机组功率输出和低电压故障穿越能力。

对于SMES、DD-PMSG 和GSC 三者容量的匹配问题，以及使SMES的容量既满足经济性的要求，又能在网测电压正常时平滑GSC的功率输出，在网侧电压跌落时能吸收直流侧的剩余功率等问题，有待下一步深入研究。