超级电容储能的直驱风机高电压穿越控制策略

2023-06-29吴立涵李天意龙腾飞

黑龙江科技大学学报 2023年3期

薛易, 吴立涵, 李天意, 龙腾飞

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引言

近些年来,煤炭等资源正在被过度消耗,而煤炭又在传统的火力发电中占有重要的作用,因此,国家越来越重视绿色可再生能源的推广与使用。风能作为易获得的能量,利用其发电正越来越得到人们的重视。随着风电机组在电力系统的占比不断增加,其并网的稳定性要求也在不断提高。当电力系统发生扰动后风机就立刻脱网,可能会扩大电网的事故,对人们的生产与经济带来损失。因此,风电机组有两个重要的能力低电压穿越(LVRT)和高电压穿越(HVRT)[1]是必须具备的。

邹欣等[2]提出一种新能源机组与无功补偿装置的协同控制策略,解决了深度高电压故障。薛易等[3]提出直流母线侧并联CUK式双向DC变换器去稳定电压,保证网侧变流器的安全。张公生等[4]提出一种变直流母线电压参考值的方法去稳定母线电压,但电网电压深度骤升时效果不佳。潘莞奴等[5]给出一种直流侧增设卸荷电路的方法进行协调电压幅值,但能量会有一定损失。笔者提出一种变直流母线电压参考值配合超级电容储能的控制策略,实现高电压穿越,充分发挥机组无功调节能力并保障能量的利用率,通过仿真验证该策略的可行性。

1 风电机组高电压穿越标准

我国国家能源局于2017年8月发布了风电机组高电压穿越测试规程 NB/T 31111—2017,如图1所示,并于2017年12月1日正式实施。该图规定了红线下方区域为电网电压发生不同程度骤升时风机应正常保持工作;红线上方区域则允许风机脱网,防止更大面积的事故。

图1 我国风电机组高电压穿越标准Fig. 1 Chinese wind turbine high voltage ride through standard

2 直驱风机风电场的拓扑结构

2.1 风力发电系统

直驱风机(PMSG)风力发电系统的拓扑结构,如图2所示。双馈风机(DFIG)的结构与PMSG不同,其定子的励磁电流来源于电网。当电网电压发生波动时,会对双馈风机的定子磁链、转子磁链产生冲击,分析过程较为复杂且不易控制。PMSG通过机侧变流器(RSC)、母线侧电容和网侧变流器(GSC)与电网相接,当电网电压发生波动时不会直接对机侧发电机组产生冲击;同时,PMSG省去了复杂的齿轮箱结构,风力发电机组的叶片直接和发电机的转子相连,提升PMSG风力发电系统的可靠稳定性。

图2 PMSG带超级电容下的拓扑结构Fig. 2 Topology of PMSG with supercapacitor

正常情况下,风力发电机组的输出功率Pm和机侧变流器输入功率Pr以及网侧变流器输出功率Pg是保持动态平衡的[6],即Pm=Pr=Pg。当网侧电压发生骤升时,会影响网侧变流器功率的正常输出,甚至可能使电网的潮流方向发生改变,使电网侧的能量逆方向注入直流母线侧,引起直流母线侧电压的上升。传统方案下的高电压穿越,采用Cowbar电路或者Chopper保护电路,当检测到电压的大幅骤升时,及时投入保护电路的方式去吸收多余能量[7]。该方案虽然能有效做到高电压穿越,但是也以热能的形式损失了部分能量。随着储能技术的不断发展,超导储能(SMES)和超级电容储能(SCESS)正在逐渐取代传统的保护电路。超级电容更是凭借其技术的不断成熟、能量利用率高、充放电的速度与次数均优于传统的蓄电池而得到广泛应用[8-10],基于超级电容储能下的高电压穿越有深入研究的必要。

2.2 机侧变流器模型

机侧变流器对PMSG的电磁转矩进行控制,即零d轴电流控制。该控制策略下id=0,电磁转矩的大小由q轴电流进行控制调节。正常工作情况下,PMSG的有功出力工作在最大风能捕获处(MPPT),无功功率根据电力系统实际进行动态调整。

(1)

式中:Usd、Usq——发电机定子电压;

isd、isq——定子电流;

Rs——定子绕组电阻;

ωr——转子的旋转电角速度;

ψf——转子永磁体磁链。

显然,d、q轴的控制通道之间存在交叉耦合项,引入PI环节进行前馈解耦,实现电流控制的目的。

(2)

PMSG的电磁转矩为

(3)

2.3 网侧变流器模型

网侧变流器的结构,如图3所示。图中,Udc为直流侧母线电压,Rg为滤波电阻,Lg为滤波电感,Ua、Ub、Uc为并网电压,UGSCA、UGSCB、UGSCC为网侧变流器三相电压。

图3 网侧变流器拓扑结构Fig. 3 Topological structure of grid side converter

Ugd和Ugq是电网电压定位在d、q轴的分量。ωe是电网的角速度。对网侧变流器进行坐标变换为

(4)

网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率分别为

(5)

PMSG网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略来维持母线电压的正常水平和调节无功功率大小。d轴定向于电网电压时,在q轴上投影为0。即Ugd=Utm,Ugq=0。其中,Utm是并网的电压值。

3 高电压穿越策略

3.1 网侧无功优先控制策略

当电网电压因某些扰动发生骤升时,感性无功电流对电压水平的恢复起着重要作用。而直流母线电压的正常工作值有一定范围,最大可以升至1.1 p.u.并正常工作。补偿的无功电流有相应的标准,按照电网电压骤升值与额定无功补偿电流值2∶1的原则进行补偿较为合适[4],也可根据实际情况进行调整。网侧的控制策略,如图4所示。

图4 网侧控制策略Fig. 4 HVRT control strategy

(6)

(7)

式中,imax——网侧变流器允许的最大电流值。

3.2 变直流母线电压参考值的策略

当电网电压发生小幅度骤升时,需要对无功电流进行补偿;如果发生了过调制的情况,直流母线侧电压会上升。为了保护系统的安全,可以通过提高直流母线电压参考值的方式使其短时承受更大的电压,从而满足一定的调制需求。文中将网侧电压上升范围限定在1.1 p.u.至1.15 p.u.之间,在允许的范围内通过投入直流母线电压参考器,系统经过短暂的高电压冲击后直流母线运行正常,同时直流母线侧电容也可吸收一定的能量去缓解母线侧电压的泵升。暂态下的冲击可能会对并联的电容产生影响,为了保护母线侧的电容,需要给冲击电压一个惯性环节,使电压值缓缓上升至系统给定的参考值下,同时上升时间不能超过暂态故障的时间。

(8)

式中:m——调制比;

Ug——电网电压最大值;

Ug——受到直流母线电压的约束。

三相整流直流电压的平均值为

(9)

由式(8)和(9)可以计算出,电网电压在690和897 V下的母线电压最低值分别为975 V和1 268 V[10],若网侧电压骤升幅度大时,直流母线在短时间内可能会承受更大的电压冲击,单纯依靠提高母线电压参考值方法去HVRT是无法实现的,这时需要引入超级电容储能去吸收多余能量。

3.3 超级电容储能

超级电容储能装置采用电压外环与电流内环相互配合的控制方式。如果电网电压深度骤升,需要无功补偿也随之增加,进一步提高直流母线侧电压的参考值是不现实的,这时应投入超级电容储能装置去吸收多余的能量。超级电容的控制,如图5所示。

图5 超级电容储能的控制原理Fig. 5 Control principle of supercapacitor energy storge

Psc=Pr-Pg,

(10)

(11)

超级电容储能装置通过对母线电压的检测得到电流的参考值再去和超级电容实际流过的电流值作比较,控制驱动信号使储能装置工作在充电状态;当电压外环检测到电网电压恢复至正常水平时,通过功率指令释放超级电容的储能。

高电压穿越原理示意,如图6所示。当电压浅度骤升时,采用无功支撑配合变直流母线电压参考值的控制策略;当深度骤升时,利用超级电容快速吸收多余能量达到高电压穿越的目的。

图6 高电压穿越Fig. 6 High voltage ride-through

4 仿真与结果分析

文中搭建2.5 MW的永磁直驱风力发电机模型,网侧额定电压690 V,直流母线侧额定电压1 200 V,额定频率50 Hz,超级电容100 F,设定电网电压浅度骤升1.15 p.u.,电网电压深度骤升1.3 p.u.,同时,与传统方法下变直流母线电压参考值进行对比,仿真结果见图7～10。

图7 传统方法下的风机出力Fig. 7 Fan output under traditional method

由图7可以看出,当电网电压发生小幅度骤升时,直流母线侧电压与风机的有功、无功功率能维持在正常范围内;随着电网电压的深度骤升,仅仅依靠机组增发无功不能抑制住直流母线侧电压的波动,直流母线侧电压迅速升高到2 500 V以上,是额定运行的两倍之多。从图8可以看出风机的有功、无功出力开始波动,严重影响电力系统的安全与稳定。当引入了超级电容,由图10可以看出,电网电压浅度、深度骤升时,直流母线侧电压约1 200 V,在额定电压的范围附近。从图9可以看出,该控制策略下不以大量牺牲有功功率为代价去实现高电压穿越,且该策略下风机发出的有功、无功功率较为稳定,对当前的高电压穿越方法有一定的借鉴意义。