超导限流-储能系统风电场应用分析

郭 文 勇



超导限流-储能系统风电场应用分析

郭 文 勇

（中国科学院电工研究所应用超导重点实验室，北京 100190）

风力发电所面临的两大重要问题是低电压穿越能力弱和功率输出不稳定。为了同时解决这两个问题，我们提出了超导限流-储能系统，并进行了单机系统的仿真研究，证实了该方案的有效性。然而对于风电场的应用，目前尚无研究。本文将超导限流-储能系统的应用扩展到风电场，分析了其提高低电压穿越能力和稳定有功功率输出的机理，并进行了仿真研究。从仿真结果来看，超导限流-储能系统能够同时提高风电场所有风机的低电压穿越能力，并能有效地平滑整个风电场的有功输出功率。考虑不同风机的互补效应，将该系统应用于风力发电场与直接应用于单台风机相比，其储能量和功率输出的要求可以大大降低，从而可以有效地减少系统总成本，因而具有更好的应用前景。

超导储能系统；低电压穿越；超导限流器；风力发电；双馈感应电机

风力发电的主流机型包括直驱型和双馈型两大类。其中双馈型风力发电机具有体积小、重量轻等优点，占据了大部分的市场份额[1]。然而双馈型风力发电机尚有低电压穿越能力弱和能量输出不稳定两个主要问题亟待解决。

双馈型风力发电机低电压穿越能力弱的问题主要与其和电网的连接方式有关。双馈型风力发电机的定子与电网直接相连，当电网电压发生突变时，由于定子磁链无法突变，定子中将感生出零序磁链，在不平衡电压暂降发生时还将感生出负序磁链。零序和负序磁链作用在高速旋转的转子上，将感生出远超转子侧变流器控制能力的反向感生电动势，从而导致过电流和过转矩故障，并有可能损坏转子侧变流器和变速箱。为了解决其低电压穿越的问题，目前主要解决方案可以分为硬件方案[2-11]和软件方案[12-21]两大类。硬件方案从改变电路结构入手，主要通过外部的辅助电路来解决转子侧变流器过电流的问题；而软件方案从转子侧变流器的控制策略入手，通过控制的方式来尽量减少转子过电流，并试图使变流器能够对电网提供一定的无功支持。

能量输出不稳定的问题与风力发电受风速变化影响较大的内在特性相关。该问题不仅存在于双馈型风力发电机中，而且是所有新能源发电的共性问题。为了有效地解决该问题，用于风力发电的储能系统原理被提出，并已有大量的相关文献报道[22-27]。

为了同时解决上述两大问题，作者提出了超导限流-储能系统的原理[6]，并提出了与单台风机相集成的拓扑结构及其控制方法。该系统通过外加辅助电路，有效地将储能和限流的功能集于一体，从而仅用一个超导磁体就同时实现了储能和限流的功能。该系统的原理已进行了仿真验证，证实了其有效性和可行性。然而，对于一个风电场而言，如果每台风机都集成一个超导限流-储能系统，考虑每个系统都需要独立的低温制冷设备，其成本将过于昂贵。再者，对于一个风电场而言，由于风机的分布具有一定的地理分散性，风机的功率输出具有一定的互补性。因此整个风电场输出功率的波动率要低于单台风机的波动率。与对风电场的每台风机都进行独立的功率补偿相比，对整个风电场输出总功率进行补偿，其所需的补偿功率和储能量都将大大降低。因而将超导限流-储能系统整体应用于风电场与应用于风电场中的每台风机相比，其成本将大大降低。本文将超导限流-储能系统的原理运用于风电场，并进行了系统仿真研究。仿真研究结果表明，将该系统应用于风电场，可以有效地提高风电场中每台风机的低电压穿越能力，并能平滑风电场的整体有功输出功率，具有较高的实用价值。本文共分四个部分：第一部分介绍双馈型风力发电机低电压穿越下的数学模型；第二部分结合双馈型风力发电机的数学模型，分析超导限流-储能系统增强双馈型风力发电机低电压穿越能力和对风电场进行功率补偿的机理；第三部分介绍该系统应用于风电场后的仿真结果并对仿真结果进行分析；第四部分对全文进行总结。

1 双馈型风力发电机数学模型

双馈型风力发电机在静止坐标下的数学模型如式(1)～式(6)所示

由式(2)～式(4)可得转子电为

而定子电压可表示为式(8)

由于零序电压并不产生磁链[1]，定子磁链可表示为式(9)

将式(9)代入旋转坐标系可得式(10)

从式(10)可得转子反向感生电动势为

2 应用于风电场的超导限流-储能系统原理

应用于风电场的超导限流-储能系统拓扑结构如图1所示，它以串并联相结合的方式连接于电网和风电场之间。其并联连接的部分由斩波器和逆变器组成的变流器系统构成，而其串联连接的部分由带耦合变压器的桥路型限流器构成，耦合变压器的原边串联在电网和风电场之间。斩波器输出端、限流器的直流端和超导磁体串联形成一个闭合回路。

2.1 正常状态下的工作原理

正常状态下由变流系统中的逆变器来实现有功平滑的功能。为了实现该功能，采用一个低通滤波器来提取风电场输出的平均有功功率，将低通滤波器的输出值与风电场实时输出有功功率之差作为逆变器输出有功功率的给定值。当风电场实时有功功率大于平均有功功率时，逆变器从电网中吸收有功功率。若斩波器不加控制，则斩波器与逆变器相连的直流母线电容将由逆变器吸收的有功功率充电，并导致电压上升。当直流母线电压上升到逆变器和斩波器所能承受的最大值时，逆变器和斩波器将被过压击穿。反之，当风电场实时有功功率小于低通滤波器输出的平均有功功率时，逆变器将向电网输出有功功率，若斩波器不加控制，则直流母线电容将会被放电，并导致电压下降。直流母线电压的下降将导致逆变器最大输出电压幅值的降低。当逆变器能够输出的最大电压幅值降低到小于电网相电压的峰值时，逆变器将失控，并无法完成给定的功能。为了防止上述现象的发生，斩波器被用来控制直流母线电压，并将其控制到一个适当的给定值，以保证逆变器能够正常工作。当逆变器从电网吸收有功功率时，直流母线电压趋于上升。斩波器通过调节直流母线电压，将直流母线中吸收的有功功率转移到超导磁体，并给超导磁体充电；而当逆变器向电网释放有功功率时，直流母线的电压趋于下降。斩波器通过调节直流母线电压，从超导磁体中释放能量到直流母线，并支撑直流母线电压。通过斩波器的控制，实现了超导磁体与电网之间的有功功率交换。并通过逆变器的协同控制，实现了对风电场输出有功功率平滑的功能。

2.2 故障状态下的工作原理

当电网发生故障时，在故障产生的双馈型风力发电机反向感生电动势的作用下，风电场的输出电流将急剧上升。当耦合变压器副边电流的幅值达到超导磁体电流值时，桥路型限流器相应的二极管将反向截止，并将超导磁体串入电网。由于超导磁体的电感远大于电网阻抗，电网的过电流将得到有效地限制和箝位。由于双馈型风力发电机可视为旋转变压器，通过电磁耦合的作用，当其定子侧的过电流被限制后，其转子侧的过电流也将得到有效地限制，从而保护了转子侧变流器，防止其过流损坏。

当超导磁体串入电网后，双馈型风力发电机所感生的转子反向感生电动势将变为

故障限流的另一个作用是增大双馈型风力发电机的动态电感。当超导磁体串入电网后，漏感系数变为

式(14)中的分母由sr增大到(s+nLsc)r，由于sc>>m，漏感系数将增大到极限值1，转子的动态电感σLr将增大到其极限值r，转子的过电流也将能够得到有效地抑制，从而更加有效地保护转子侧变流器，防止其过流损坏。

3 仿真结果及分析

为了验证该系统的可行性，我们进行了仿真研究。风电场为6台1.5 MW风机组成的小型风电场，该风电场经过一台35 kV/690 V的变压器并入35 kV电网，35 kV电网经过30 km的输电线后并入330 kV电网，主要仿真参数见表1~表3。

表1 风电场单台双馈型风力发电机参数

3.1 正常状态下的仿真结果

图2是正常状态下的仿真结果。图2(a)为风电场风速变化的波形，从该波形可以看出，风速在10～13.5 m/s存在较大的波动。

图2(b)中从上到下三条曲线分别为该输入风速下风电场输出的有功功率、经过超导限流-储能系统之后注入电网的有功功率和超导限流-储能系统输出的有功功率。从图2(b)可以看出，在该风速的作用下，风电场输出的有功功率存在较大的波动，对电网的电能质量会产生不利的影响。而超导限流-储能系统输出与风电场有功功率波动分量幅值相同、方向相反的有功功率，消减了风电场注入电网有功功率的波动分量，从而使得注入电网总的有功功率大为平滑，提升了风电场并网的电能质量。图2(c)是超导磁体电流波形。从图2中可以看出，超导磁体吸收了风电场输出的波动能量，并导致其电流存在较大的波动，正是通过超导磁体的能量缓存作用，有效地平滑了风电场输出的有功功率。

3.2 故障状态下仿真结果

为了验证该系统对于基于双馈型风力发电机风电场低电压穿越能力的提升作用。分别进行了平衡和不平衡电压暂降下的仿真研究。故障点发生在35 kV/ 690 V升压变压器的高压侧。平衡电压暂降由三相接地故障引发，电网电压降到接近于0 V，而不平衡电压暂降由相间短路故障引发，该故障被认为是最为严重的故障[14]。

图3为平衡暂降下的仿真结果。图3(a)、3(c)、3(e)、3(g)分别为未加入超导限流-储能系统的仿真波形。从图中可以看出，系统未加入任何保护时，双馈型风力发电机存在明显的定转子过电流，其转子过电流的最大值接近于额定值的4倍。由于双馈型风力发电机中转子侧变流器最大过流能力一般为额定值的2倍，因此，转子侧变流器在此故障下将会过流损坏。而从图中的电磁转矩波形可以看出，其电磁转矩在故障状态下的最大过冲量远超过额定运行范围，容易造成变速箱的损坏。而从图中直流母线电压的波形可以看出，其直流母线电压超过了1700 V，将造成双馈型风力发电机所使用的IGBT过压击穿。

图3 (b)、3(d)、3(f)、3 (h)分别为加入超导限流- 储能系统之后的仿真波形。从图3中可以看出，在加入超导限流-储能系统之后，双馈型风力发电机的定转子过电流得到了有效地抑制，其最大值均在2倍额定值之内，因此其转子侧变流器可以得到有效地保护。而从图中电磁转矩的波形可以看出，其过转矩得到了明显地抑制，有效地保护了变速箱。而从图中直流母线电压的波形可以看出，其直流母线电压在故障过程中几乎无明显地波动，保护了双馈型风力发电机中网侧和转子侧变流器，防止其在故障状态下的过压击穿。

图4为不平衡暂降下的仿真结果。图4(a)、4(c)、4(e)、4(g)分别为未加入超导限流-储能系统的仿真波形。从图4(a)、4(c)、4(e)中可以看出，在未加入该系统时，其定转子过电流和过转矩的现象比平衡暂降下还要严重，这与文献[14]中的分析一致。而图4(g)中直流母线过电压与图3(g)中的相比大为 减轻，这是由于在不平衡暂降下，双馈型风力发电机的网侧变流器仍然能够与电网实现部分有功功 率的交换，从而可以在一定程度上稳定直流母线 电压。

图4(b)、4(d)、4(f)、4(h)分别为加入超导限流-储能系统之后的仿真波形。从图4(b)、4(d)、4(f)、4(h)中可以看出，在加入超导限流-储能系统之后，双馈型风力发电机的定转子过电流、过转矩和直流母线电压过转矩都得到了明显地抑制。双馈型风力发电机得到了有效地保护。其低电压穿越能力得到了大大地增强。然而其过电流、过转矩和过电压在故障限流过程中似有扩大趋势，这与超导限流-储能系统在故障状态下的非线性特性以及风电场中的双馈型风力发电机未加低电压穿越控制有关，其相互影响及解决方案将在后续工作中进一步被研究。

4 结 论

本文将超导限流-储能系统应用于风力发电场，用于提高整个风力发电场功率输出的稳定性和低电压穿越能力，并进行了仿真研究。仿真研究结果表明，超导限流-储能系统在应用于风电场时，可以有效地平滑整个风电场输出的有功功率，并能保护风电场中的每一台风力发电机，防止其在低电压穿越下的过电压、过电流和过转矩，从而大大提高了风力发电场并网发电的电能质量和可靠性，具有较高的实用价值。同时超导储能-限流系统的非线性特性导致其在不平衡暂降下低电压穿越的性能变差，为解决此问题，可以给双馈型风力发电机加入低电压穿越控制或者改进超导限流-储能系统的拓扑结构，相关工作将在今后做进一步研究。

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Application analysis of a superconducting fault current limiter-magnetic energy storage system for the wind farm

GUO Wenyong

（Key Laboratory of Applied Superconductivity，Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Two major challenges in wind power generation are weak low voltage ride through (LVRT) capability and unstable power output. A superconducting fault current limiter-magnetic energy storage system (SFCL-MES) has been proposed to address the two challenges. Simulations on the proposed system have been carried out using a single wind power generator, and validated the system performance. This paper extends the concept of SFCL-MES to a wind farms. Simulations are carried out on the extended systems and the effect of the use of the SFCL-MES on the LVRT capability and power output of the wind farms are analyzed. Great enhancement of the LVRT capability of wind power generator is observed. The use of the SFCL-MES has also been shown to smooth the active output power of the wind farm. Considering complementary effect of generators in wind farms, power capacity requirements for the SFCL-MES for a whole wind farm is expected to be considerably lower than the summation of the requirements of individual wind power generator. The total cost is therefore expected to be reduced.

superconducting magnetic energy storage system (SMES)；low voltage ride through(LVRT)；superconducting fault current limiter (SFCL)；wind power generation；doubly fed induction generator (DFIG)

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.02.008

TM 761

A

2095-4239（2015）02-176-07

2014-10-25；修改稿日期：2014-12-28。基金项目：国家自然科学基金项目（50907070，51361135705），国家“863”计划项目（2013AA050803）。作者简介：郭文勇（1979—），博士，副研究员，主要研究方向为故障限流器、电力储能和风力发电，E-mail：wyguo@mail.iee.ac.cn。