两种直流侧卸荷直驱风机LVRT分析

任天鸿， 晁 勤， 唐彬伟， 王海亮， 谢双玲

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.北京金风科创风电设备有限公司，北京100176；3.江苏电力公司检修分公司输电检修中心，江苏南京211100；4.海南耐迪电力工程有限责任公司，海南海口570217)

两种直流侧卸荷直驱风机LVRT分析

任天鸿1， 晁 勤1， 唐彬伟2， 王海亮3， 谢双玲4

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.北京金风科创风电设备有限公司，北京100176；3.江苏电力公司检修分公司输电检修中心，江苏南京211100；4.海南耐迪电力工程有限责任公司，海南海口570217)

随着并网风电机组的日益增加，风力机组与电网间的相互影响日益突出。国家电网企业标准Q/GDW 392-2009及国标GB/T19963-2001均对风电机组的低电压穿越能力提出了明确的技术要求。分析了大功率永磁风力发电系统在电网电压跌落时的暂态特性，建立了基于Chopper与超级电容器的两种直流侧卸荷电路及相应的控制策略。并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了相应的并网仿真模型，仿真对比了在电网电压严重跌落时两种卸荷电路对机组暂态特性的影响。仿真结果表明在网侧电压跌落的时候，两种卸荷方式在稳定直流侧电压和系统恢复方面，各有优势。

直流侧卸荷电路；超级电容器；永磁直驱并网系统；低电压穿越

随常规能源的消耗与环境污染的日益加重，风力发电得到了广泛的重视与发展。风力发电也由最初的作为偏远地区的离网型小机组发展到了并网型大功率机组。近年来风力发电并网功率日渐增大，而其固有的出力波动性、间断性对电网的影响也日趋明显。电网公司根据实际运行及自身条件对风电并网提出了技术要求与准入规则。近年来由于故障或扰动造成的大规模风机脱网事故对我国西北电网、蒙西电网等区域电网造成了严重的影响，故对要求并入电网的风机满足低电压穿越等电网标准。

直驱风力发电机组具有维护费用小，运行成本低，可靠性高等优点[1]。其双向的PWM拓扑结构[2]使得其具有较好的有功无功解耦控制特性，与早期的定速与双馈机组相比，具有较好的低电压穿越能力[3]。

当网侧发生电压跌落时，风力机组的出力无法送至网侧，而风机侧变流器依然对定子的最大功率追踪，风电机组的输入功率大于输出功率，直流侧电容电压升高，将会损害变流器，此时机侧变流器的电压、电流、有功、无功都会产生振荡，若不采取有效措施，将导致PMSG脱网，故必须采取措施对风电机组变流器直流侧电压进行有效限制。为保证变流器直流侧安全，常用的方法有直流侧加装Chopper[4]、超级电容器[5-7]、蓄电池等方式，目的是平抑多余的能量，平衡风力发电机组输入与输出功率，将直流侧电压稳定在一定范围内，实现低电压穿越。

本文介绍了电网对风电接入系统的技术规定和准则，根据永磁风力发电机组的工作原理基于PSCAD/EMTDC仿真环境搭建了PMSG并网模型[8-10]，介绍了主动式IGBT型Chopper电路及超级电容器，对风机并网点电压突然跌落行了仿真，并针对故障，分别采用Chopper回路与超级电容器的投切与控制，对比分析了两种不同方案下PMSG在低电压跌落情况下的动态特征。

1 风电机组低电压穿越能力要求

风电机组低电压穿越能力(LVRT)是指当风电机组并网点电压跌落超出正常运行电压范围时，在规定时间内，风电机组能够按照标准要求不脱网连续运行，并平稳过渡到正常状态的能力。我国国网标准Q/GDW 392-2009与国标GB/T 19963-2011对风电机组低电压穿越能力的要求见图1。

图1 风电场低电压穿越能力标准

图1中风电场并网点电压在图中电压曲线以上的区域及以上的区域内时，风电机组必须保证不间断并网运行，风电机组端电压跌落到额定电压的20%时，要求风电机组能够维持运行625 ms，风电场PCC点电压在3 s时恢复到额定电压的90%，风电机组保持并网运行。

2 永磁直驱风机建模与并网控制

2.1 永磁直驱风电机组工作原理

永磁直驱风力发电机(PMSG)由永磁风机与双PWM变频器与电网相连。机侧与风机相连的AC/DC变流器通过网侧轴与轴电流控制发电机转矩与无功，网侧则参考电网的轴与轴电流实现通过上述控制方式，分别实现了变流器直流侧与发电系统并网侧的有功、无功解耦控制。

2.2 永磁直驱风机机侧控制

PMSG机侧通过变流器对发电机定子电流进行控制，从而控制发电机的电磁转矩，进而对发电机转速进行控制。在0坐标下，永磁直驱发电机组的方程为：

双环的外环采用直接功率控制，内环采用电流控制。为使发电机单位功率因数运行，对轴电流参考值设置为0，内环轴电流参考值通过外环功率控制，即参考功率与电网实际功率作差通过PI控制获得。

图2 PMSG机侧控制图

2.3 PMSG网侧控制

网侧变流器的控制是基于电网电压矢量的控制。控制原理图如图3所示。

图3 PMSG网侧控制图

3 Crowbar及超级电容器结构与控制

3.1 直流侧卸荷电路原理

PMSG的直流侧卸荷电路由IGBT与卸荷电阻构成。

电网电压跌落时，转子过流，Crowbar检测到直流侧电压过高时投用。Crowbar将接通变流器直流侧卸荷电路，通过迟滞比较环节，控制IGBT导通，将多余的电能通过消耗掉，从而使直流侧不过压(图4)。

图4 直流侧卸荷电路控制原理图

卸荷电阻值的选择按照最严重情况考虑，即风机在满发时网侧发生深度电压跌落。卸荷电阻可通过式(5)计算得到：

3.2 超级电容器卸荷电路原理

如图5所示，超级电容器通过非隔离型双向buck-boost电路与PMSG变流器直流侧电容相连。

图5 超级电容器及DC-DC原理图

超级电容器的作用是稳定直流侧母线电压，当直流侧母线电压过高时，该电路工作在buck模式下，对电容器充电；当直流侧母线过低时，工作在boost状态，电容器放电，稳定直流侧母线电压，本文仅对buck工况进行讨论。

4 仿真分析与算例验证

本文基于PSCAD/EMTDC环境搭建了PMSG风力发电并网系统仿真模型，针对网侧发生的电压跌落，对比仿真未加装保护装置、加装卸荷电阻和超级电容器的低电压穿越动态特性。

电压跌落幅度为80%，永磁风机功率1.5 MW，定子额定电压为0.69 kV，额定转速为28 r/min，极对数为32，定子漏电阻为0.064 p.u，定子线圈电阻为0.017 p.u；变流器直流侧稳压电容为75 mF，直流侧电压为1.5 kV；在1 s时故障发生，在1.625 s时故障消失，故障持续时间为0.625 s，风速保持恒定。

图6和图7为电压跌落过程中，并网点电压的波形图与恢复正常时波形。观察图7：装超级电容器的电路率先回稳；接入卸荷电阻的电路波形趋稳过程稍慢于采用超级电容器卸荷的电路；未装设卸荷电路的PCC点电压趋稳时间最长。

观察图8：永磁风机的输出功率波动，未装设卸荷电路时，其输出有功最低将跌落到0.2 MW以下；接入超级电容器时，发电机的出力维持在1.0 MW；而卸荷电阻在电压跌落时，维持其出力在1.1 MW以上。卸荷电阻对发电机组出力稳定的效果最好。

观察图9网侧电压大幅跌落时，若不投入卸荷电路，由于控制系统中的给定值与实际值相差太大，PI调节器深度饱和，难以恢复有效调节状态，当网侧电压恢复时，机组依然失控，不能快速回稳。卸荷电阻对直流侧的电压稳定性有更好的效果；超级电容器在风电机组出力波动中，不断存储电能，逐渐达到其存储上限无法有效地钳制直流侧电压上升。

观察图10未投入卸荷电路时，从故障发生到故障切除，发电机转速与投入卸荷电路相比，始终处于较大波动状态，而投入直流侧超级电容器和卸荷电阻情况下，转子转速始终波动很小，仅仅在网侧电压恢复时，有所波动，且卸荷电阻对发电机转速的稳定效果最好。

图6 并网点电压

图7 并网点电压

图8 永磁直驱风机输出有功

图9 直流侧电压标幺值

图10 发电机转子转速标幺值

5 结论

本文在PSCAD/EMTDC仿真环境下建立了PMSG并网发电系统及LVRT控制模型，针对网侧电压跌落至0.2倍额定电压时，分别就未接入卸荷电路、接入超级电容器和接入Crowbar进行了仿真研究，结果表明：

(1)在并网永磁直驱风机的出力稳定和电压稳定方面，卸荷电阻的效果明显优于超级电容器，功率波动、电压波动、转速波动均维持在很小范围内，能在短时间内消耗由于网侧电压跌落而无法送出的风机出力。

(2)从PCC点电压的恢复和并网电流的波动可以得出：超级电容器的过渡状态更为柔和，在网侧电压恢复时，超级电容器能以最快的速度使并网永磁风机系统恢复正常，且超调量最小，趋稳时间最短，稳定性最好。

(3)通过直流侧卸荷电路，减小了网侧电压跌落和恢复阶段过电压的幅度，在电压跌落过程中，直流侧电压稳定在变流器可控的范围内，网侧变流器始终在可控状态，当网侧电压恢复时，永磁直驱风机可迅速恢复稳定运行。

(4)综合考虑卸荷电阻稳定有功、电压及转速优于超级电容器，是由于超级电容器属于储能元件，随着能量的吸收，端电压逐渐升高，同时超级电容器内环电流环对流入超级电容器的电流有所限制，其对电能的吸纳能力逐渐下降，而卸荷电阻将电能及时消耗掉，故有较好的稳定性。

本文仅针对并网型永磁直驱变流器直流侧的电压、有功输出、转速PCC点电压等指标进行了分析研究，针对于永磁直驱风电机组的LVRT特性，还有待进一步深入研究。

[1]刘胜文，包广清，范少伟，等.PMSG无功控制和低电压穿越能力的研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(2)：135-140.

[2]杨恩星，仇志凌，陈国柱，等.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用[J].电力系统自动化，2009，33(10)：95-98.

[3]肖磊.直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究[D].长沙：湖南大学，2009.

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[5]苏平，张靠社.基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(23)：164-170.

[6]邹和平，于芃，周玮，等.基于超级电容器储能的双馈风力发电机低电压穿越研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(10)：48-52.

[7]郭学英，金晓林.基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究[J].电工电气，2010，10：1-5.

[8]王文亮，葛宝明，毕大强.储能型直驱永磁同步风力发电控制系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(14)：43-48.

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Comparative analysis of PMSG LVRT on two different chopper

With the increase of wind turbine more and more,the interaction of wind power and power grid became increasingly prominent.The enterprise standard of state grid Q/GDW 392-2009&GB/T19963-2001 clarified a clear technical requirements for the LVRT of wind turbine.Based on the voltage drop transient characteristic of large power PMSG, the actual grid connected-PMSG and chopper&ultracapacitor, the model of them were set up in PSCAD/EMTDC,specific to the terrible voltage drop of PCC.The two different transient characteristic were simulated and compared of chopper circuits.From the result it is clearly that at the PCC voltage drop,the two different circuits have their own different advantages at the DC voltage and system recovery etc

crowbar;ultracapacitor;PMSG grid-connected system;LVRT

TM 77

A

1002-087 X(2016)03-0715-04

2015-08-03

科技部“国家国际科技合作专项资助”项目(172013DFG61520)；国家自然科学基金资助项目(51267020)

任天鸿(1981—)，男，河南省人，硕士生，主要研究方向为电力系统稳定与控制；导师：晁勤(1959—)，女，湖南省人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统综合自动化和并网风力发电系统稳定性等。