超級(jí)電容儲(chǔ)能的直驅(qū)風(fēng)機(jī)高電壓穿越控制策略

薛 易, 吳立涵, 李天意, 龍騰飛

(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

近些年來(lái),煤炭等資源正在被過(guò)度消耗,而煤炭又在傳統(tǒng)的火力發(fā)電中占有重要的作用,因此,國(guó)家越來(lái)越重視綠色可再生能源的推廣與使用。風(fēng)能作為易獲得的能量,利用其發(fā)電正越來(lái)越得到人們的重視。隨著風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)的占比不斷增加,其并網(wǎng)的穩(wěn)定性要求也在不斷提高。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后風(fēng)機(jī)就立刻脫網(wǎng),可能會(huì)擴(kuò)大電網(wǎng)的事故,對(duì)人們的生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失。因此,風(fēng)電機(jī)組有兩個(gè)重要的能力低電壓穿越(LVRT)和高電壓穿越(HVRT)[1]是必須具備的。

鄒欣等[2]提出一種新能源機(jī)組與無(wú)功補(bǔ)償裝置的協(xié)同控制策略,解決了深度高電壓故障。薛易等[3]提出直流母線側(cè)并聯(lián)CUK式雙向DC變換器去穩(wěn)定電壓,保證網(wǎng)側(cè)變流器的安全。張公生等[4]提出一種變直流母線電壓參考值的方法去穩(wěn)定母線電壓,但電網(wǎng)電壓深度驟升時(shí)效果不佳。潘莞奴等[5]給出一種直流側(cè)增設(shè)卸荷電路的方法進(jìn)行協(xié)調(diào)電壓幅值,但能量會(huì)有一定損失。筆者提出一種變直流母線電壓參考值配合超級(jí)電容儲(chǔ)能的控制策略,實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,充分發(fā)揮機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)能力并保障能量的利用率,通過(guò)仿真驗(yàn)證該策略的可行性。

1 風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)國(guó)家能源局于2017年8月發(fā)布了風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越測(cè)試規(guī)程 NB/T 31111—2017,如圖1所示,并于2017年12月1日正式實(shí)施。該圖規(guī)定了紅線下方區(qū)域?yàn)殡娋W(wǎng)電壓發(fā)生不同程度驟升時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)正常保持工作;紅線上方區(qū)域則允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),防止更大面積的事故。

圖1 我國(guó)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig. 1 Chinese wind turbine high voltage ride through standard

2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)風(fēng)機(jī)(PMSG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG)的結(jié)構(gòu)與PMSG不同,其定子的勵(lì)磁電流來(lái)源于電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),會(huì)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈產(chǎn)生沖擊,分析過(guò)程較為復(fù)雜且不易控制。PMSG通過(guò)機(jī)側(cè)變流器(RSC)、母線側(cè)電容和網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)與電網(wǎng)相接,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)不會(huì)直接對(duì)機(jī)側(cè)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生沖擊;同時(shí),PMSG省去了復(fù)雜的齒輪箱結(jié)構(gòu),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片直接和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連,提升PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。

圖2 PMSG帶超級(jí)電容下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology of PMSG with supercapacitor

正常情況下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Pm和機(jī)側(cè)變流器輸入功率Pr以及網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率Pg是保持動(dòng)態(tài)平衡的[6],即Pm=Pr=Pg。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生驟升時(shí),會(huì)影響網(wǎng)側(cè)變流器功率的正常輸出,甚至可能使電網(wǎng)的潮流方向發(fā)生改變,使電網(wǎng)側(cè)的能量逆方向注入直流母線側(cè),引起直流母線側(cè)電壓的上升。傳統(tǒng)方案下的高電壓穿越,采用Cowbar電路或者Chopper保護(hù)電路,當(dāng)檢測(cè)到電壓的大幅驟升時(shí),及時(shí)投入保護(hù)電路的方式去吸收多余能量[7]。該方案雖然能有效做到高電壓穿越,但是也以熱能的形式損失了部分能量。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展,超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)和超級(jí)電容儲(chǔ)能(SCESS)正在逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)電路。超級(jí)電容更是憑借其技術(shù)的不斷成熟、能量利用率高、充放電的速度與次數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)的蓄電池而得到廣泛應(yīng)用[8-10],基于超級(jí)電容儲(chǔ)能下的高電壓穿越有深入研究的必要。

2.2 機(jī)側(cè)變流器模型

機(jī)側(cè)變流器對(duì)PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,即零d軸電流控制。該控制策略下id=0,電磁轉(zhuǎn)矩的大小由q軸電流進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。正常工作情況下,PMSG的有功出力工作在最大風(fēng)能捕獲處(MPPT),無(wú)功功率根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(1)

式中:Usd、Usq——發(fā)電機(jī)定子電壓;

isd、isq——定子電流;

Rs——定子繞組電阻;

ωr——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電角速度;

ψf——轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

顯然,d、q軸的控制通道之間存在交叉耦合項(xiàng),引入PI環(huán)節(jié)進(jìn)行前饋解耦,實(shí)現(xiàn)電流控制的目的。

(2)

PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩為

(3)

2.3 網(wǎng)側(cè)變流器模型

網(wǎng)側(cè)變流器的結(jié)構(gòu),如圖3所示。圖中,Udc為直流側(cè)母線電壓,Rg為濾波電阻,Lg為濾波電感,Ua、Ub、Uc為并網(wǎng)電壓,UGSCA、UGSCB、UGSCC為網(wǎng)側(cè)變流器三相電壓。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 Topological structure of grid side converter

Ugd和Ugq是電網(wǎng)電壓定位在d、q軸的分量。ωe是電網(wǎng)的角速度。對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行坐標(biāo)變換為

(4)

網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為

(5)

PMSG網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略來(lái)維持母線電壓的正常水平和調(diào)節(jié)無(wú)功功率大小。d軸定向于電網(wǎng)電壓時(shí),在q軸上投影為0。即Ugd=Utm,Ugq=0。其中,Utm是并網(wǎng)的電壓值。

3 高電壓穿越策略

3.1 網(wǎng)側(cè)無(wú)功優(yōu)先控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓因某些擾動(dòng)發(fā)生驟升時(shí),感性無(wú)功電流對(duì)電壓水平的恢復(fù)起著重要作用。而直流母線電壓的正常工作值有一定范圍,最大可以升至1.1 p.u.并正常工作。補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),按照電網(wǎng)電壓驟升值與額定無(wú)功補(bǔ)償電流值2∶1的原則進(jìn)行補(bǔ)償較為合適[4],也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。網(wǎng)側(cè)的控制策略,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)控制策略Fig. 4 HVRT control strategy

(6)

(7)

式中,imax——網(wǎng)側(cè)變流器允許的最大電流值。

3.2 變直流母線電壓參考值的策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生小幅度驟升時(shí),需要對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償;如果發(fā)生了過(guò)調(diào)制的情況,直流母線側(cè)電壓會(huì)上升。為了保護(hù)系統(tǒng)的安全,可以通過(guò)提高直流母線電壓參考值的方式使其短時(shí)承受更大的電壓,從而滿足一定的調(diào)制需求。文中將網(wǎng)側(cè)電壓上升范圍限定在1.1 p.u.至1.15 p.u.之間,在允許的范圍內(nèi)通過(guò)投入直流母線電壓參考器,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短暫的高電壓沖擊后直流母線運(yùn)行正常,同時(shí)直流母線側(cè)電容也可吸收一定的能量去緩解母線側(cè)電壓的泵升。暫態(tài)下的沖擊可能會(huì)對(duì)并聯(lián)的電容產(chǎn)生影響,為了保護(hù)母線側(cè)的電容,需要給沖擊電壓一個(gè)慣性環(huán)節(jié),使電壓值緩緩上升至系統(tǒng)給定的參考值下,同時(shí)上升時(shí)間不能超過(guò)暫態(tài)故障的時(shí)間。

(8)

式中:m——調(diào)制比;

Ug——電網(wǎng)電壓最大值;

Ug——受到直流母線電壓的約束。

三相整流直流電壓的平均值為

(9)

由式(8)和(9)可以計(jì)算出,電網(wǎng)電壓在690和897 V下的母線電壓最低值分別為975 V和1 268 V[10],若網(wǎng)側(cè)電壓驟升幅度大時(shí),直流母線在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)承受更大的電壓沖擊,單純依靠提高母線電壓參考值方法去HVRT是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,這時(shí)需要引入超級(jí)電容儲(chǔ)能去吸收多余能量。

3.3 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相互配合的控制方式。如果電網(wǎng)電壓深度驟升,需要無(wú)功補(bǔ)償也隨之增加,進(jìn)一步提高直流母線側(cè)電壓的參考值是不現(xiàn)實(shí)的,這時(shí)應(yīng)投入超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置去吸收多余的能量。超級(jí)電容的控制,如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容儲(chǔ)能的控制原理Fig. 5 Control principle of supercapacitor energy storge

Psc=Pr-Pg,

(10)

(11)

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置通過(guò)對(duì)母線電壓的檢測(cè)得到電流的參考值再去和超級(jí)電容實(shí)際流過(guò)的電流值作比較,控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)使儲(chǔ)能裝置工作在充電狀態(tài);當(dāng)電壓外環(huán)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常水平時(shí),通過(guò)功率指令釋放超級(jí)電容的儲(chǔ)能。

高電壓穿越原理示意,如圖6所示。當(dāng)電壓淺度驟升時(shí),采用無(wú)功支撐配合變直流母線電壓參考值的控制策略;當(dāng)深度驟升時(shí),利用超級(jí)電容快速吸收多余能量達(dá)到高電壓穿越的目的。

圖6 高電壓穿越Fig. 6 High voltage ride-through

4 仿真與結(jié)果分析

文中搭建2.5 MW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型,網(wǎng)側(cè)額定電壓690 V,直流母線側(cè)額定電壓1 200 V,額定頻率50 Hz,超級(jí)電容100 F,設(shè)定電網(wǎng)電壓淺度驟升1.15 p.u.,電網(wǎng)電壓深度驟升1.3 p.u.,同時(shí),與傳統(tǒng)方法下變直流母線電壓參考值進(jìn)行對(duì)比,仿真結(jié)果見(jiàn)圖7～10。

圖7 傳統(tǒng)方法下的風(fēng)機(jī)出力Fig. 7 Fan output under traditional method

由圖7可以看出,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生小幅度驟升時(shí),直流母線側(cè)電壓與風(fēng)機(jī)的有功、無(wú)功功率能維持在正常范圍內(nèi);隨著電網(wǎng)電壓的深度驟升,僅僅依靠機(jī)組增發(fā)無(wú)功不能抑制住直流母線側(cè)電壓的波動(dòng),直流母線側(cè)電壓迅速升高到2 500 V以上,是額定運(yùn)行的兩倍之多。從圖8可以看出風(fēng)機(jī)的有功、無(wú)功出力開(kāi)始波動(dòng),嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。當(dāng)引入了超級(jí)電容,由圖10可以看出,電網(wǎng)電壓淺度、深度驟升時(shí),直流母線側(cè)電壓約1 200 V,在額定電壓的范圍附近。從圖9可以看出,該控制策略下不以大量犧牲有功功率為代價(jià)去實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,且該策略下風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功、無(wú)功功率較為穩(wěn)定,對(duì)當(dāng)前的高電壓穿越方法有一定的借鑒意義。

圖8 傳統(tǒng)高電壓穿越下的電壓及電流Fig. 8 Voltage and current under traditional high voltage ride through

圖9 改進(jìn)控制策略下的風(fēng)機(jī)出力Fig. 9 Fan output under improved control strategy

圖10 改進(jìn)控制策略下的電壓及電流Fig. 10 Voltage and current under improved control strategy

5 結(jié) 論

(1)提出一種直驅(qū)風(fēng)機(jī)高電壓穿越的控制策略,通過(guò)仿真驗(yàn)證了其高電壓穿越過(guò)程。電網(wǎng)電壓淺度驟升時(shí),為了防止過(guò)調(diào)制造成直流母線側(cè)電壓升高,可以適當(dāng)升高直流母線側(cè)電壓參考值去實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。

(2)電網(wǎng)電壓深度驟升時(shí),無(wú)功補(bǔ)償水平進(jìn)一步升高,僅提高母線側(cè)電壓參考值無(wú)法實(shí)現(xiàn)高電壓穿越,通過(guò)投入超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置可以吸收多余能量,等電網(wǎng)電壓水平恢復(fù)正常值再釋放儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。