一种永磁直驱风力发电系统不对称电网故障下低电压穿越方法

黄 可, 高锋阳, 杜 强, 乔 垚

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

一种永磁直驱风力发电系统不对称电网故障下低电压穿越方法

黄 可, 高锋阳, 杜 强, 乔 垚

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

为了提高永磁直驱风力发电系统在不对称电网故障下的低电压穿越(LVRT)能力，改进了现有基于发电机转子储能的LVRT策略。分析了电网电压不对称跌落时，有功功率2倍工频分量产生机理，讨论了功率波动对发电机电磁转矩和直流母线电压的影响。采用模糊控制抑制功率波动对发电机电磁转矩的影响，以及采用超级电容抑制功率波动对直流母线电压的影响。仿真表明，该控制策略可同时抑制电磁转矩和直流母线电压的2倍工频波动；仿真结果验证了该策略的有效性。

永磁同步发电机； 不对称故障； 低电压穿越； 模糊控制； 超级电容

A Low Voltage Ride Through Strategy for Directly-Driven Wind

0 引 言

随着风力发电并网的发展，风电机组的低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力影响到电网的安全、稳定运行。我国的风电并网标准对风电机组的LVRT能力提出了明确要求[1]。永磁直驱风电机组无需变速齿轮箱，采用全功率变流器并网，故障率低、可靠性高且易于维护，越来越多地应用于风电场[2-3]，对其LVRT控制策略的研究已有相关成果。在直流母线侧安装制动电阻、钒电池储能、飞轮储能等消耗冗余能量的控制策略[4-6]，提高了系统成本，增加了系统故障率。利用发电机转子惯性储能的控制策略，风力机容易超速，影响到发电机机械系统和电磁系统的稳定性[7-10]。控制风力机桨距对捕获的风能加以限制的控制策略，变桨控制响应时间长[11-12]，且变桨过程不利于系统在故障消除后快速恢复正常工况。利用发电机转子惯性储能，同时结合投切制动电阻和增加网侧变流器输出电流的控制策略[13]，制动电阻有效限制了发电机转子的超速，但该控制策略对功率波动没有有效的抑制措施。电网故障以不对称故障居多，电压不对称跌落会引起有功功率的不平衡和电压负序分量的产生，导致有功功率的2倍工频波动[14]，进而导致直流母线电压和发电机电磁转矩受到扰动。模糊控制能够实现有功功率的分配[15-16]，可用于抑制发电机有功功率和电磁转矩的2倍工频波动；超级电容能够通过精准的充放电控制稳定直流侧电压[17-18]，可用于抑制直流母线电压的2倍工频波动。本文研究模糊控制结合超级电容的LVRT控制策略，在三相电压不对称跌落情况下，充分利用发电机转子储能，在满足风电并网标准LVRT要求的同时，有效抑制功率波动对系统的不利影响。

1 永磁直驱风力发电系统基于转子储能的LVRT策略

1.1 永磁发电机数学模型

基于转子磁场定向的定子dq轴电压方程为

(1)

式中：usd、usq——d、q轴定子电压；

isd、isq——d、q轴定子电流；

ψsd、ψsq——d、q轴定子磁链；

Rs——定子电阻；

ωr——电角速度。

定子磁链方程为

(2)

式中：Ld、Lq——d、q轴定子电感；

ψf——转子磁链。

发电机电磁转矩方程为

(3)

控制isd=0时，有：

(4)

通过控制igq，可以控制电磁转矩Te。

1.2 电网侧变流器数学模型

网侧变流器电压方程为

(5)

式中：ugd、ugq——变流器交流侧d、q轴电压；

ed、eq——d、q轴电网电压；

igd、igq——d、q轴电流；

R、L——电抗器的电阻、电感；

ω——电网角频率。

电网电压矢量与d轴同向，ugq=0，有：

(6)

通过控制igd、igq，可以分别控制有功功率Pg和无功功率Qg。

1.3 转子储能的LVRT控制策略

基于转子储能的LVRT控制策略整体协调控制框图如图1所示。

LVRT工况下，igd由网侧变流器允许传输的最大电流imax和LVRT过程中要求的最小无功电流iqmin共同决定，isq由直流母线电压决定。系统控制目标是，在满足风电并网标准要求的前提下，最大限度地向电网输送有功功率，同时将多余的有功功率以机械能的方式储存在风机叶片和发电机转子当中。

2 电压不对称跌落下功率分析

图1 发电机转子储能整体协调控制框图

(7)

对于b、c相电压有：

(8)

(9)

(10)

(11)

令P=P0+P2ω·cos(2η+2ωt)，有：

(12)

(13)

(14)

综上可知，在电网电压三相不对称时，采用电网正序电压定向矢量控制，网侧有功功率包含稳定值部分P0和2倍工频波动部分P2ω，且两者有效值的关系如式(14)所示。

电网电压不对称跌落时，网侧变流器输出的有功功率含有2倍工频波动，直流母线电压含有2倍工频纹波[19-20]。系统采用发电机转子储能的LVRT控制策略时，发电机输出功率跟踪电网侧有功功率，输出功率和电磁转矩受到2倍工频扰动。此时的LVRT控制策略，在满足风电并网标准要求的同时，必须抑制2倍工频波动对发电机电磁转矩和直流母线电压的影响。

3 抑制2倍工频波动的控制策略

3.1 模糊控制抑制电磁转矩波动

为充分利用发电机转子储能，控制发电机电磁转矩Te跟踪电网侧功率Pg与发电机输出功率Ps之间的差值。两者差值包括两个部分，电压跌落引起的功率差值和电压不对称引起的2倍工频波动。为避免电磁转矩受到2倍工频扰动，采用的控制策略是：当Pg与Ps之间的差值大于P2ω时，应控制Te迅速跟踪电网侧功率Pg与发电机输出功率Ps之间的差值；当Pg与Ps之间的差值与P2ω相当时，认为两者差值仅由2倍工频波动P2ω引起，应控制电磁转矩保持不变。通过修正系数K对差值信号进行修正，实现上述控制策略。如图2所示。

图2 模糊控制抑制电磁转矩波动

图3 A、B、K的隶属度函数

模糊控制状态表如表1所示。例如，当A的值偏大(取PS)，B的值偏大(取PS)时，认为功率差值主要是2倍工频波动P2ω，K的值选取0，控制电磁转矩Te保持不变。

描述控制规则的总模糊关系为

(15)

表1 模糊控制状态表

本文采用最大隶属度法进行解模糊计算，确定修正系数K的值。

3.2 超级电容抑制直流母线电压波动

电磁转矩Te跟踪电网侧功率Pg与发电机输出功率Ps之间的差值，利用模糊控制抑制功率波动。直流母线承受全部的2倍工频波动和部分的功率差值，前者将引起电压波动，后者将引起电压的泵升。在直流侧并联一个超级电容进行充放电控制来平衡电网侧变流器和电机侧变流器的功率不平衡，以稳定直流母线电压。超级电容采用Buck-Boost变换器并接入直流母线，如图4所示。

图4 超级电容接入直流母线示意图

当直流侧电压高于基准电压时，变换器工作于Buck状态，直流侧对超级电容充电；反之，变换器工作于Boost状态，超级电容放电给直流侧提供功率支持[21]，如图5所示。

4 仿真验证

通过MATLAB/Simulink对控制策略进行了仿真验证。设电压跌落前发电系统处于额定工作状态，网侧电压在0.5 s时刻发生不对称跌落，三相电压分别跌落至0.9、0.8和0.7。仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数

图6 电压不对称跌落持续625 ms的仿真波形

仿真结果如图6所示。如图6(c)所示，由于电压三相不对称，存在负序分量，网侧有功功率将产生2倍工频波动，同时由于电压整体跌落，有功功率平均值下降。由图6(d)、图6(e)可知，电压跌落时，发电机有功功率跟踪电网侧有功功率，在模糊控制的作用下，电磁转矩迅速调整并不受2倍工频波动的影响，随着发电机转子转速的稳步上升，电磁转矩有下降的趋势。图6(f)中，由于超级电容的充放电控制跟踪直流母线电压与基准电压的差值，直流母线电压存在波动，但除电压突变瞬间外波动很小，约为50 V，可以认为有效地抑制了直流母线电压的2倍工频波动。图6(g)所示为超级电容充放电过程中吸收的有功功率，可以看到超级电容几乎承受所有的有功功率2倍工频波动。超级电容在LVRT过程中虽然切换于充、放电状态，但整体上是充电的，虽然绝大部分有功功率差值分配到发电机侧，但是由于模糊控制的作用，仍有部分有功功率差值由超级电容承担。

5 结 语

本文基于发电机转子储能的LVRT控制策略，分析了电网电压不对称跌落时，现有策略下有功功率2倍工频分量产生机理，以及对发电机电磁转矩和直流母线电压的影响；研究了模糊控制结合超级电容的控制策略。基于MATLAB/Simulink仿真软件得到了该控制策略的仿真结果。

(1) 电网电压不对称跌落时，模糊控制能够充分利用发电机转子储能，同时有效地抑制电磁转矩的波动。为抑制2倍工频波动影响而采用的模糊控制算法，使得有部分有功功率差值由直流母线承担，发电机转子不必承担全部的功率差值。

(2) 模糊控制结合超级电容的LVRT控制策略，通过发电机转子和超级电容承担功率差值，同时通过超级电容承担有功功率的2倍工频波动，直流母线电压在超级电容充放电系统的作用下波动幅度很小，仿真结果验证了该策略的有效性。

(3) 本文在分析网侧有功功率2倍工频分量产生机理时，为简化计算，未考虑三相电压频率和相位的变化。因此，后续工作应进一步研究频率和相位变化对有功功率波动的影响。

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Turbine with Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator under Asymmetric Fault

HUANGKe,GAOFengyang,DUQiang,QIAOYao

(School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to improve the low voltage ride through capability of permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine under asymmetric fault, an improved control method was proposed, which was based on storing the active power surplus in the turbine-generator mechanical system inertia.The formation mechanism of active power double frequency components under unbalanced grid voltage level was analyzed, and the influence of active power ripple on the electromagnetic torque of generator and on the voltage of DC bus was discussed.Fuzzy control was applied to suppress the influence on the electromagnetic torque of generator, and super capacitor was applied to suppress the influence on the voltage of DC bus.Simulation results showed that the control method could suppress the double frequency components of the generator electromagnetic torque and that of the DC bus voltage at the same time, verifying the control method.

permanent magnet synchronous generator (PMSG); asymmetric fault; low voltage ride through (LVRT); fuzzy control; super capacitor

黄 可(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为新能源与风力发电。 高锋阳(1970—)，男，副教授，研究方向为大功率电源与电力系统自动化控制。

TM 315

A

1673-6540(2017)03- 0096- 06

2016 -12 -12