薛 易，陳 元，張 帥

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱150022)

0 引 言

風(fēng)力新能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，并網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘咳找嬖黾?，其在電網(wǎng)故障條件下的運(yùn)行方式與控制策略已直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。國(guó)家規(guī)定所并入的風(fēng)電機(jī)應(yīng)有較好的高電壓穿越能力，即在電網(wǎng)電壓過(guò)高的一定時(shí)間范圍內(nèi)，不僅不允許機(jī)組脫網(wǎng)，而且需要向電網(wǎng)提供一定容量的無(wú)功支撐以恢復(fù)電網(wǎng)電壓[2]。在傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)高電壓穿越方法中，通過(guò)增加硬件電路來(lái)消耗故障期間的多余能量，不僅會(huì)降低發(fā)電機(jī)效率，也會(huì)增加發(fā)電機(jī)發(fā)熱，造成一定的安全隱患。采用外加儲(chǔ)能裝置能夠使發(fā)電機(jī)的能量利用效率得到提高[3-4]。

王永強(qiáng)等[5]提出在高電壓穿越期間在直流側(cè)并聯(lián)斬波電路，根據(jù)母線電壓驟升程度的不同改變耗能電阻值的大小，控制母線電壓驟升態(tài)勢(shì)，抑制直流電壓的劇烈波動(dòng)，提高了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力。孫誼媊等[6]給出一種網(wǎng)側(cè)變流器優(yōu)化控制策略，使之優(yōu)先輸出感性無(wú)功功率對(duì)故障電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功支撐。蔣永梅等[7]提出采用外設(shè)裝置實(shí)現(xiàn)高電壓故障中風(fēng)電機(jī)組波動(dòng)功率的控制，提升機(jī)組高電壓穿越能力，加快系統(tǒng)有功恢復(fù)。為提高直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的高電壓穿越能力，筆者提出在直流側(cè)并聯(lián)CUK式雙向DC變換器吸收直流側(cè)多余能量，穩(wěn)定母線電壓，保護(hù)網(wǎng)側(cè)逆變器的安全，通過(guò)搭建模型驗(yàn)證該方案的可行性。

1 直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

含有CUK式雙向DC變換器控制超級(jí)電容組的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig. 1 Topology of direct drive parmanent magnet wind motor

由圖1可見(jiàn)，Pm為直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pe為發(fā)電機(jī)側(cè)流向直流側(cè)的有功功率；Pg為電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器輸出的有功功率；Pdc為直流側(cè)的有功功率；Png為從電網(wǎng)流向直流側(cè)的反向有功功率；Udc為直流側(cè)母線電壓；Csc為超級(jí)電容組。

在電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，功率平衡關(guān)系：

Pe=Pm=Pg。

(1)

電網(wǎng)電壓升高時(shí)，直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)側(cè)的電壓也會(huì)升高，由于電網(wǎng)側(cè)逆變器功率容量限制，從電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器輸出的有功電流會(huì)減小，而電網(wǎng)本身需要保持功率平衡。由于電網(wǎng)潮流的可逆性，電網(wǎng)的多余能量將逆流至網(wǎng)側(cè)逆變器，導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高。此時(shí)，功率關(guān)系：

Pe+Png-Pg=Pdc=UdcIdc。

(2)

由式(2)可知，直流側(cè)電壓Udc大小與發(fā)電機(jī)側(cè)的輸出功率Pe，電網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出功率Pg以及電網(wǎng)逆向功率Png有關(guān)。根據(jù)式(2)，高電壓穿越期間，欲降低直流側(cè)電壓Udc，可以減小發(fā)電機(jī)側(cè)的輸出功率Pe，減小網(wǎng)側(cè)變流器的輸出功率Pg，或增大電網(wǎng)逆向有功功率Png等來(lái)實(shí)現(xiàn)。但發(fā)電機(jī)側(cè)變槳系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速難以瞬間改變，并且按照直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念，必須避免電網(wǎng)故障對(duì)電網(wǎng)的機(jī)械和電氣設(shè)備所產(chǎn)生的瞬時(shí)影響[4]。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，由于電網(wǎng)的潮流存在可逆性，有部分的Png逆流到直流側(cè)，同時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)Pg的增加，因此，解決高電壓穿越引起的Udc驟升問(wèn)題，很難通過(guò)直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但，可以采用超級(jí)電容組吸收直流側(cè)多余能量來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)的母線電壓Udc。

2 雙向DC控制器和直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)模型

2.1 CUK式雙向DC變換器

CUK式雙向DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2所示。充電時(shí)的工作過(guò)程如圖 3所示。

圖2 含有超級(jí)電容組的CUK式雙向DC-DC變換器Fig. 2 A CUK bidirectional DC-DC converter with a super capacitor bank

S2導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)電容Cdc向電感L2充電，電容C經(jīng)過(guò)超級(jí)電容Csc和電感L1放電。VD2導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)電容Cdc和電感L2向電容C充電，電感L1向超級(jí)電容Csc充電。

圖3 雙向DC變換器充電過(guò)程Fig. 3 Charging process of bidirectional DC converter

放電時(shí)的工作過(guò)程如圖 4所示。S1導(dǎo)通時(shí)，超級(jí)電容Csc通過(guò)電感L1放電，電容C通過(guò)直流側(cè)電容Cdc和電感L2放電。VD1導(dǎo)通時(shí)，超級(jí)電容Csc和電感L1通過(guò)電容C放電，電感L2通過(guò)直流側(cè)電容Cdc放電。

圖4 雙向DC變換器放電過(guò)程Fig. 4 Discharge process of bidirectional DC converter

2.2 風(fēng)力機(jī)模型

由風(fēng)能捕獲原理得，風(fēng)力機(jī)所捕獲的功率：

(3)

風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩:

(4)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速:

(5)

風(fēng)能利用系數(shù):

(6)

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

R——風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑，m；

γ——葉尖速比；

θ——槳距角，(°)；

vw——風(fēng)速，m/s。

2.3 網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型

網(wǎng)側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 Topological structure of grid side converter

Lg、Rg為網(wǎng)側(cè)變流器線路的電感和電阻，Cdc為直流側(cè)電容，Udc為母線電壓。在a、b、c三相的坐標(biāo)系下，電網(wǎng)一側(cè)逆變器的參考量都是時(shí)變的交流量，不利于網(wǎng)側(cè)逆變器的控制器設(shè)計(jì)。因此，采用park變換的方式，將三相坐標(biāo)系中的交流時(shí)變量，轉(zhuǎn)換為兩相坐標(biāo)系下的直流量，這樣既有利于控制器的設(shè)計(jì)，也有利于后續(xù)的計(jì)算。因此，在兩相的dq坐標(biāo)軸下，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行坐標(biāo)變換得到其數(shù)學(xué)模型[6]為：

(7)

式中：ud、uq——網(wǎng)側(cè)電壓dq軸分量；

ugd、ugq——電網(wǎng)電壓dq軸分量；

igd、igq——電網(wǎng)電流dq軸分量；

ωe——電網(wǎng)角頻率。

若忽略直流側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率損耗，則電網(wǎng)側(cè)逆變器流向電網(wǎng)的有功功率Pg和無(wú)功功率Qg[6]為：

(8)

3 雙向DC變換器和直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)控制器

3.1 CUK式雙向DC變換器控制器

變換器的控制器設(shè)計(jì)采用電壓電流雙環(huán)控制。控制超級(jí)電容的充放電來(lái)吸收電網(wǎng)逆流到直流側(cè)的多余能量，穩(wěn)定直流側(cè)的母線電壓，保證并網(wǎng)逆變器和直流側(cè)電容安全[8-10]。雙向DC變換器的控制框圖如圖 6所示。

電壓外環(huán)控制是通過(guò)直流側(cè)電壓參考值Ubr與直流側(cè)電壓實(shí)際值Ub比較得偏差值，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后輸出電流內(nèi)環(huán)參考值Isr，電流內(nèi)環(huán)參考值Isr與CUK電路中實(shí)際電流值Isc比較得偏差值，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后的電流輸出信號(hào)經(jīng)PWM信號(hào)發(fā)生器生成控制S1、S2導(dǎo)通關(guān)斷的信號(hào)，從而控制超級(jí)電容組的充放電功能。

圖6 雙向DC變換器的控制原理Fig. 6 Control principle of bidirectional DC converter

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制器

網(wǎng)側(cè)變流器的控制器采用電壓電流的雙環(huán)控制。通過(guò)控制電流有功分量提高直流側(cè)電壓穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功功率的解耦控制，使分布式電源輸出的有功功率傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，并在需要時(shí)為電網(wǎng)提供無(wú)功支持。網(wǎng)側(cè)變流器的控制分為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和高電壓穿越期間運(yùn)行兩部分。網(wǎng)側(cè)變流器的控制流程如圖 7所示。

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器的控制結(jié)構(gòu)Fig. 7 Control structure of grid side converter

網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功電流受電網(wǎng)電壓升高程度的影響，為避免過(guò)補(bǔ)償，電網(wǎng)電壓驟升值和額定無(wú)功電流補(bǔ)償值計(jì)算公式[11]：

(9)

為保護(hù)變流器以免發(fā)生過(guò)電流，要求有功電流igd幅值應(yīng)滿足[12]：

(10)

Uref——實(shí)測(cè)電網(wǎng)電壓有效值；

iN——機(jī)組額定電流；

imax——網(wǎng)側(cè)變流器最大允許電流值。

3.3 高電壓穿越控制策略

高電壓穿越控制流程如圖 8所示。

圖8 高電壓穿越控制流程Fig. 8 Tontrol of high voltage ride process thraogh

4 仿真驗(yàn)證分析

采用Matlab建立含有雙向CUK式DC變換器的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)和控制器模型。無(wú)儲(chǔ)能裝置的情況下，電網(wǎng)電壓升高到1.2(標(biāo)幺值)時(shí)，分析結(jié)果如圖9所示。加入CUK式雙向DC變換器后的模擬分析結(jié)果，如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)控制下電網(wǎng)電壓驟升的仿真結(jié)果Fig. 9 Simulation results of power network voltage surge under traditional control

設(shè)置電網(wǎng)電壓升高至1.2(標(biāo)幺值)時(shí)，故障時(shí)間0.2 s。直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)額定功率2 MW，極對(duì)數(shù)52，網(wǎng)側(cè)額定輸出電壓690 V，額定頻率50 Hz，直流側(cè)額定電壓1 200 V，額定風(fēng)速12 m/s，超級(jí)電容容量20 F。

研究了高電壓穿越期間，傳統(tǒng)情況(無(wú)儲(chǔ)能裝置)下的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)仿真特性和含有雙向DC變換器的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的仿真特性。在0.8 s時(shí)，如圖9a所示，電網(wǎng)電壓升高至1.2(標(biāo)幺值)時(shí)的圖形；如圖9b所示，網(wǎng)側(cè)輸出電流降低且在1 s時(shí)產(chǎn)生畸變幅度較大的波形。

圖10 含超級(jí)電容組的電網(wǎng)電壓驟升的仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results of power grid voltage surge with supercapacitor bank

由此可以得出，在傳統(tǒng)控制下，電網(wǎng)電壓驟升將會(huì)引起整個(gè)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的危險(xiǎn)。從圖9c可以看出，直流側(cè)電壓已升高至2 400 V左右，是電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的兩倍。從圖10可以看出，逆變器向電網(wǎng)注入感性無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。網(wǎng)側(cè)的無(wú)功輸出由0升高至0.7 MVar，由于在高電壓穿越期間對(duì)無(wú)功進(jìn)行優(yōu)先輸出，有功的輸出受到限制，有功輸出相比電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)降低0.3 MW。

從圖10a可以看出，網(wǎng)側(cè)輸出電流波形在故障結(jié)束時(shí)，波形幅度相比傳統(tǒng)控制時(shí)變小許多。同時(shí)，由于超級(jí)電容組吸收了直流側(cè)多余的能量，從圖10b可以看出，母線電壓在電網(wǎng)電壓驟升期間基本保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。

在高電壓穿越期間，根據(jù)3.1節(jié)分析CUK變換器的工作過(guò)程如圖 11所示。

圖11 超級(jí)電容組的運(yùn)行結(jié)果Fig. 11 Operation results of supercapacitor bank

由圖11可見(jiàn)，當(dāng)電流反向的時(shí)候，變換器工作在充電狀態(tài)，即吸收直流側(cè)多余能量。超級(jí)電容端電壓以及荷電量均增加。

5 結(jié) 論

提出一種含超級(jí)電容儲(chǔ)能的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)高電壓穿越控制策略，以提高直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的高壓穿越能力。

(1)建立了使用CUK雙向DC轉(zhuǎn)換器控制超級(jí)電容器的充電和放電的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)模型。當(dāng)電網(wǎng)電壓升至1.2(標(biāo)幺值)時(shí)，未加外設(shè)儲(chǔ)能裝置的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)會(huì)因直流側(cè)電壓過(guò)高而有脫網(wǎng)的危險(xiǎn)。

(2)提出CUK式雙向DC變換器去控制超級(jí)電容吸收直流側(cè)多余能量這一方案，高電壓穿越期間直流母線電壓驟升幅度降低了4.6%，并在高電壓穿越期間為電網(wǎng)提供了感性無(wú)功補(bǔ)償，提高了直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)的高電壓穿越能力。