风/储系统低电压穿越策略仿真研究

朱建红，顾菊平，邱天博

（1.南通大学电气工程学院，江苏南通 226007；2.河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，江苏南京 210983）

风/储系统低电压穿越策略仿真研究

朱建红1，2，顾菊平1，邱天博1

（1.南通大学电气工程学院，江苏南通 226007；2.河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，江苏南京 210983）

新能源在电网中比例的增加滋生了电网不稳定因素，并网的风电系统必须具备一定低电压穿越能力。文章针对中小型的分布式风力发电系统展开研究，结合储能系统技术开发，使其在风电领域并网关键技术中的应用推广成为可能。文章首先对双馈风力发电系统并网运行过程中电网电压突然跌落时出现的问题进行分析。其次在剖析双馈发电及背靠背变换器的数学模型基础上针对电网电压跌落时的情况，直流母线处引进储能系统，设计双向直流变换器，提高系统低电压穿越的能力。最后通过PSCAD/EMTDC仿真软件对单crowbar（撬棒电路）及加储能风电混合系统在带缓冲及不带缓冲的系统平台上进行低电压穿越实验分析，得出带缓冲的储能组合结构更能抵制低电压穿越，也验证了系统设计的合理性。

双馈风力发电系统；储能；双向DC/DC控制器；低电压穿越

1 风电系统运行现状问题研究

风电具有清洁无污染、建设周期短等优点，近年得到大力发展。随着人们的环保意识不断提高，对生活质量越来越重视，加上政府部门出台相关政策的积极引导，风力发电在电网中所占的比例不断提高。但是由于风力的不确定性，风电的大规模接并网会存在一定的安全隐患[1]。在电网故障过程中，如果大量的风机脱离电网，则会严重影响电力系统的稳定性，因此风力发电的并网运行遭遇了众多挑战，要想稳定并网运行，必须要具有低电压穿越（LVRT）能力。许多风电技术发展比较成熟的国家都制定了新的风电并网规则，并且十分明确且具体地给出了并网点电压跌落后风机允许脱网的条件，以及电压恢复正常后有功功率在规定时间内恢复的速率，并要求电网电压跌落过程中风电机组需要根据情况反馈一定的无功功率。国家有关部门也对此作出了相关的规定。如图1所示，首先，在并网点电

压跌至20%额定电压时，风电场内的风机具有能够保持连接电网625 ms不断开的能力；其次，风电场并网点电压能够在故障恢复后的3 s内恢复到额定电压的90%，风电场内的风机不断网运行[2]。

图1 LVRT要求示意图Fig.1 Schematic of LVRT requirements

2 现有克服低电压穿越主要技术

目前，风电系统的低电压穿越技术研究主要分为两个方面：一是改变控制策略，但是这仅适用于电网电压的小幅度跌落；二是改变电路的基本拓扑结构[3]。一般在DFIG的转子侧接入卸荷电路（比如撬棒电路），同时使DFIG的转子侧变换器接地。第一种方案虽然经济实惠，成本较低，然而对于解决机组在低电压穿越过程中出现的问题效果不太好。第二种方案则不经济，成本比较高，投入比较大。此外，还有在系统中加入静止无功补偿器或者增加变换器容量来提高DFIG低电压穿越能力[4]。也有在并网侧加缓冲硬件电路环节缓冲低电压穿越时对发电设备的损坏。本研究采用在加入撬棒电路的基础上引入储能模块，及时有效地解决双馈风力发电系统低电压穿越过程中遇到的问题。

3 风力发电系统结构分析

目前，风电场中应用的DFIG主要以绕线式异步电机为主，它具有定、转子2套绕组，其定子直接与电网相联、转子通过一个三相电力电子变流器实现交流励磁[5]。转子励磁变换器采用技术最成熟的背靠背式变换器，按其位置可分别称为网侧变换器（GSC）和转子侧变换器（GSC）。在背靠背变换器中间装有用来保持直流电压稳定的电容。转子侧变换器的控制从两方面出发，主要包括对定子侧并网功率的控制和DFIG转矩、转速的控制；网侧变换器的控制目的是为了维持直流母线电压的稳定。其系统拓扑图如图2所示。

图2 双馈发电系统结构拓扑图Fig.2 Topology of Doubly-fed generation system

4 储能系统模块

4.1 硬件拓扑结构

储能系统由电池模块和DC/DC变换器组成，DC/ DC变换器连接在储能装置与发电系统直流母线之间，实现电网电能与储模块之间能量的双向流动和有序交换，因此采用双向功率变换器。其拓扑示意图如图3所示。

图3 储能模块结构拓扑示意图Fig.3 Schematic topology of energy storage module

图3中，直流母线电容值为80 000 μF，电感L值为0.01 H，电阻值为1 Ω，S1、S2为2个IGBT的控制端，图中并联二极管起到续流作用。

DC/DC控制器其实质是BUCK电路与BOOST电路的合二为一，当S1导通，S2关断时，为BOOST升压电路，电池向外放电；当S2导通，S1关断时，为BUCK降压电路，直流母线给电池充电。

4.2 储能系统充放电策略研究

DC/DC控制系统由内、外两个环组成，分别是电流环与电压环。电压环是由给定的直流母线电压与采样得到直流母线电压进行比较，然后根据电压误差值进行PI运算，输出电流的给定信号[6]。电流环是由电压环经PI调节后的值与电池充放电模块的输出电流值作差，然后根据电流误差值再次进行PI运算，

最后输出控制IGBT的PWM波信号，驱动主回路的IGBT工作。课题对于储能系统的控制采用恒电压变电流控制，拓扑图如图4所示。

图4 DC/DC控制系统图Fig.4 DC/DC control System

图4中U*dc为给定直流母线电压；Udc为直流母线监测电压，系统动态监测直流母线电压变化，当直流母线电压高于给定值时，启动双向DC控制器充电回路，储能系统进行储能，当直流母线低于给定值时，储能系统启动双向DC变换器放电，提供系统恢复时的无功需求，双向DC控制器采用电压电流双闭环控制，Isc为电池充放电系统中的变换器输出采样电流。电池选用的模型最高电压标么值为2.0。

5 风/储系统低电压穿越控制技术仿真

5.1 Crowbar保护控制

Crowbar电路是一种旁路卸荷电路，电网电压跌落时，Crowbar电阻接入到DFIG的转子回路中，转子回路的电流值就会减小，从而达到保护变换器的目的[7]。Crowbar电路分为被动式和主动式。加入主动式撬棒电路系统拓扑图如图5所示。

图5 Crowbar保护电路仿真模型Fig.5 Crowbar protection circuit simulation model

主动式撬棒电路工作原理为电网电压跌落时，转子电流急剧增大，一旦超过设定的限定值，IGBT被激活，保护电路接入，Crowbar电路接入到DFIG的转子回路中，闭锁转子侧PWM变换器，故障电流经过Crowbar电路而不经过变换器，这样就保护了转子侧PWM变换器，保护电路接入后，DFIG从电网吸收无功功率。当转子电流降低到限定值以下后，IGBT关断，保护电路被切除，DFIG恢复到正常运行状态[8]。

5.2 网侧变换器控制系统设计

网侧变换器的控制目的首先为保持直流母线电压恒定，不受转子功率的数值和方向的影响；其次为保持网侧的电压、电流相位同步，交流侧无功功率为0[9]。网侧变换器采用基于电网电压定向的矢量控制策略，得到两相旋转坐标系下网侧变换器交流侧电压方程如式（1）所示。

根据电网和网侧变换器之间的功率交换，可得转子侧的功率方程如式（2）[10]所示。

式（1）代入式（2），推出转子侧功率方程为式（3）。

定子侧变换器的电压控制量为式（4）。

根据式（4），设计如图6所示网侧控制结构。

5.3 转子侧变换器控制系统设计

目前大多数DFIG机组按恒功率因数和恒电压两种控制方式进行无功调节[11]，本研究中采用功率因数控制。机侧变换器实现定子侧有功、无功功率解耦控制，所以需要推导出定子侧有功、无功功率与转子侧电流idr和iqr之间的关系。用定子磁场定向，令d-q坐标系的d轴与定子磁链方向一致，q轴超前d轴90°，此时定子磁通在q轴上的分量ψqs为0，磁链方程见式（5）[12]。

发电机定子侧有功、无功方程[12]见式（6）。

式（6）表明，定子的有功取决于q轴上的转子电流分量iqr，定子绕组的无功功率取决于d轴上的转子电流分量ids；两者之间是相对独立的，这就实现了定子侧有功和无功的解耦[12]。由以上数学模型可得到双馈发电机转子变换器矢量控制结构图，如图7所示。

图6 网侧变换器矢量控制Fig.6 Grid side converter vector control

图7 转子变换器矢量控制结构图Fig.7 Rotor converter vector control chart

图8 DC-DC仿真电路模型Fig.8 DC-DC circuit simulation models

5.4 储能嵌入系统仿真控制设计

由上节分析的DC-DC控制策略及拓扑图设计出如图8所示仿真模型。

图8中，Ecapref为直流母线电压给定值，Udc为直流母线动态监测电压，仿真中直流母线标么值取

1.3，当检测到直流母线电压高于或低于1.3时，电压误差通过电压PI控制器给出内环电流控制的给定值，与DC变换器系统电流输出的动态监测值进行比较，通过电流内环PI控制，最终实现直流母线电压恒定。仿真中Idc为变换器输出端的电流，Sa与Sd为DC/DC的2个控制信号输出端口。电压控制PI参数分别为Kp=0.001，Ki=0.000 5；电压环PI控制参数为Kp=200，Ki=0.11，载波为频率10 kHz的三角波。

5.5 系统调试

仿真双馈电机仿真参数如表1所示。

表1 双馈电机参数Tab.1 Doubly-fed motor parameters

风速设为12 m/s保持不变，使得DFIG在这个风速下能够稳定运行。当系统稳定后，2 s时并网点发生三相对地短路故障，电压跌落至20%，持续625 ms后，故障解除，电压恢复。如图9所示。2 s时并网点电压跌落，转子回路电流急剧增大。如图10所示。

图9 发生三相故障时并网点电压波形Fig.9 The voltage waveform when the three-phase failure occurs

从图11波形可看出，当时间到达2 s时，电网电压跌落，直流母线电压迅速上升，形成一个较大的尖峰，持续625 ms后，电网电压恢复，直流母线电压回落至正常值。

对比图11和12的波形，可看出，引入储能系统后，当电网电压跌落时，直流母线电压的变化幅度明显减小了许多，这表明储能模块确实提高了DFIG的LVRT能力。

图10 发生三相故障时转子侧电流波形Fig.10 Rotor side current wave when the three-phase faults

图11 引入储能模块前直流母线电压波形Fig.11 DC bus voltage waveform before introduction of the energy storage module

图12 引入储能系统之后直流母线电压波形Fig.12 DC bus voltage waveform after introduction of the energy storage module

图13为低电压穿越时直流母线电压电流的波形变化，直流母线电压波形存在两个尖峰，第一个尖峰是当并网点电压跌落时引起的直流母线电压升高；第二个尖峰则是系统故障解除时，电网电压对系统的冲击造成的。

图13 电池充放电电压与电流波形Fig.13 Voltage and current wave-forms of battery charge and discharge

6 低电压穿越组合技术性能分析

为验证本研究提出策略的可行性，在如图14所示并网风电系统带缓冲及不带缓冲2种硬件拓扑结构平台上分别对单独crowbar及加储能系统进行仿真，在不同的电路结构中分别模拟20%、50%、70%电网电压跌落情况，对每种故障类型进行低电压穿越仿真。仿真结果如表2及表3所示。由表数据可以看出，在小幅的电压跌落情况下，风力发电系统恢复正常所需的时间接近0 s。说明基于定子磁链定向的转子侧控制策略以及网侧电压矢量控制策略使得系统自身能够承受小幅电网电压跌落。Crowbar电路、储能系统以及组合控制技术的应用都能够在一定程度上减少风力发电系统恢复正常状态所需要时间。其中，组合控制技术相对于其他控制技术的优势比较明显。

图14 风电并网带缓冲及不带缓冲两种硬件拓扑结构Fig.14 Two hardware typologies of wind power with/without buffered equipment

表2 缓冲电路结构中低电压穿越技术仿真结果Tab.2 LVRT technology simulation results of the buffer circuit structure

表3 无缓冲结构中低电压穿越技术仿真结果Tab.3 LVRT technology simulation results of the unbuffered construction

7 结论

本文首先分析DFIG中网侧变换器与转子侧变换器控制模型，直流母线侧引进储能系统，并据此设计控制策略。然后在仿真软件PSCAD上设计仿真电路图。把引入储能前后低电压穿越各个波形进行对比，验证策略的可行性，储能系统起到了一个很好的稳定直流母线电压的作用，并且能够有效及时地回馈无功功率给电网，保护了系统中电力电子器件安全和风电系统的稳定并网运行。撬棒电路的接入很好地抑制了转子过电流；储能系统的引入不仅能够避免能量浪费，而且可以维持直流母线电压稳定；组合控制技术相对于其他控制技术的优势比较明显，能够很好地改善风力发电系统的动态响应。

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（编辑 徐花荣）

A Study on Simulations of Wind/Storage System LVRT Strategies

ZHU Jianhong1，2，GU Juping1，QIU Tianbo1
（1.Institute of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226007，Jiangsu，China；2.Research Center of Renewable Energy Generation Engineering，HoHai University，Nanjing 210983，Jiangsu，China）

The increased proportion of new energy power is bound to affect stability of grids.The grid-connected wind power system must have a certain low voltage ride-through（LVRT）capability.The desired technology combined with the energy storage is considered to promote the application of LVRT on small or medium wind generation.Firstly，problems caused by LVRT in the process of the grid-connected operation of the doubly-fed wind power generation system are analyzed.Secondly，based on an analysis of the mathematical model and back to back inverter，the energy storage systems across the DC bus is introduced，and the bidirectional DC/DC converter is designed to improve the ability of low-voltage ride.Finally，PSCAD/ EMTDC simulation of single crowbar and hybrid system deployed in wind generation are performed on the platform of buffered and unbuffered systems respectively.The experimental analysis shows that the storage buffer composite structure works well to deal with low-voltage.

double-fed wind power generation system；energy storage；bi-directional DC/DC controller；LVRT

2016-05-04。

朱建红（1971—），女，工学硕士，副教授，现博士进修在读，主要研究方向为电力系统及自动化。

顾菊平（1971—），女，工学博士，教授，博士生导师，研究方向为电机与电器；

邱天博（1991—），男，在读硕士，方向控制理论与控制工程。

国家自然科学基金面上项目（E0712）；江苏省教育高校自然基金面上项目（15KJB470014）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of China（E0712）；the National Natural Science Foundation for Colleges and Universities of Jiangsu Province（15KJB470014）.

1674-3814（2016）09-0089-07

TM614

A