永磁直驱风电机组低/高电压穿越研究

刁瑞轩

摘 要：随着风力发电在电网穿透率的不断增加，风电机组的安全稳定运行对电网的影响已不容忽视。近期由于并网风电机组不具备低电压穿越能力而引发的多次大规模风电脱网事故，己影响到电网的正常运行。

关键词：永磁直驱风电机组;低/高电压穿越

采用机侧变流器控制直流电压，并根据故障期间直流电压的变化调节发电机的电磁功率，消除直流系统两端有功的不平衡，稳定直流电压，但未考虑电磁功率减小造成发电机转速提升的速度限制问题，且控制过程较为复杂。

1 概述

目前，关于风力发电系统的低/高电压穿越研究大多针对双馈型风电机组，需采用主动式或被动式来避免风机变流器的过电压和过电流，虽然可以满足并网准则对低高电压穿越的要求，但存在以下固有问题：1）双馈电机变为不受控的异步发电机运行后，稳定运行的转速范围受最大转差率所限而变小，若变桨系统未能快速限制捕获的机械转矩，仍很容易导致转速飞升。2）由于发电机的励磁分别由变流器和电网提供，两种状态的切换会在低电压穿越过程中对电网造成无功冲击。3）即使在低电压穿越过程中，网侧变流器保持联网，受其容量限制，提供的无功功率主要供给异步发电机建立磁场，而对系统的无功支持很弱。通过全功率变流器并网的风力发电机组，如永磁直驱同步发电机组PMSG，已被证实在穿越特性方面更具优势。其实现风电机组的低电压穿越的关键问题在于维持变流器直流环节电容电压的稳定。而通过稳定直流电压实现PMSG风电机组低电压穿越的研究方案主要有：通过在直流侧安装卸荷电路消纳多余的能量：在直流侧安装储能装置，如超级电容等，快速吞吐有功功率;并联辅助变流器增加直流侧功率的输出通道。上述方法均需增加外部硬件电路，增加了变流器的体积及成本;并且在电网电压跌落时，网侧变流器处于限流状态，无法对电网提供动态的无功支持;在低电压穿越前后，网侧变流器在直流电压控制和限流控制之间的切换会造成直流电压的波动。PMSG风电机组机侧和网侧变流器的传统控制策略，采用机侧变流器控制直流侧电压，而有功和无功的协调控制由网侧变流器完成;并从理论上分析所提出控制方法对风力机转速变化的影响。

2 永磁直驱风电机组低/高电压穿越策略

1）在额定风速以上，为避免风力机超速，通常采用变桨调节限制风机输入的气动功率，此时按发电机的额定功率控制其输出的有功功率可实现发电系统的恒功率输出。因此，电网电压正常时PMSG控制系统外环可采用有功功率的闭环控制，其调节输出量作为发电机定子电流轴分量给定;控制系统内环则分别实现定子轴电流的闭环控制。当电网发生故障使电网侧变换器输入电压跌落时，电网侧变换器将无法完全输出发电机产生的有功功率，多余的能量将流人直流侧电容进行充电，若不采取合适的措施，直流侧电容将充电至很高电压，这将直接危及并网变流器的安全运行。因此，为避免直流链过电压和电网侧变换器过电流，应限制由电机侧变换器传递到电网侧变换器的有功功率。考虑到桨距角调节系统的动态响应时间通常在几百毫秒乃至秒级，因此对于2个～10个周期左右的电网短路故障而言，采用变桨调节就很难有效限制发电机输出的有功功率。由于发电机控制系统电流环的动态调节时间可控制在数十毫秒以内，因此在故障过程中可采用限制发电机转矩电流的方式来限制发电机的电磁功率，从而达到限制发电机输出有功功率的目的。实现故障清除后发电机的正常运行控制。控制系统中采用功率限幅处理环节来实现高于额定风速时发电机输出功率的限制。

2）由于永磁直驱用双PWM变换。器的运行容量要达到PMSG的额定容量，因此即使电网电压正常时也应考虑稳定控制双PWM变换器直流链电压的方法。对于电网故障，当故障切除、电网侧变换器输入电压恢复时，应采取适当措施使电网侧变换器和电机侧变换器的功率传递达到平衡，以减小电压恢复过程中直流链电压的波动。在本文的控制方案中，当电网电压正常以及电网故障切除、电网侧变换器输入电压恢复时，对于电网侧变换器将采用协调控制方案，即利用电机侧变换器的功率信息协调控制电网侧变换器。当电网电压正常时，控制开关连接端口这时将作为一个前馈补偿量，与电网侧变换器直流电压PI调节器的输出一起作为网侧变换器电流内环的轴电流给定值，则当电网电压恢复后网侧变换器轴电流的给定值将会及时改变，网侧变换器电流内环可以控制轴电流快速跟踪指令电流，从而实现电网侧变换器的输出功率与电机侧变换器的输入功率保持平衡，这十分有利于电压恢复时直流链电压迅速趋于稳定，降低直流链电压变化率，为电压恢复后发电系统重新恢复正常控制奠定基础。当电网发生短路故障时，由于电网侧变换器输入电压减小以及网侧变换器最大工作电流的限制将减小电网侧变换器输出的瞬时功率，这将造成电机侧变换器有功功率。与电网侧变换器输出功率之间的功率偏差增大，这将极大地限制电网侧变换器对直流链电压的控制作用。针对电网故障过程中交流励磁风电机组网侧变换器的控制思想，对于永磁直驱风电机组的网侧变换器，也可采用电压跌落时网侧变换器按电流内环控制的方法，即故障过程中电流给定分量设定为反映发电机输出有功功率的前馈量，该前馈量反映了双PWM变换器与PMSG的功率交换情况，在电压跌落时根据发电机定子功率的变化及时调节电网侧变换器的电流，可最大限度地减小直流链电压的波动，有效控制直流链电压在电压跌落过程中的变化趋势，故障过程中控制開关切换为连接端口电流给定分量设定为发电机输出有功功率的前馈量。这样可将直流链电压的波动限制在一定范围内，为故障过程中电机侧变换器的控制提供较为稳定的直流链电压支持。当电网故障切除后，控制开关又重新切换到端口，实现故障清除后网侧变换器的正常运行控制，为故障后向电网提供功率支持奠定基础。综上所述，完整的适用于永磁直驱风电机组的低电压穿越运行控制方案电机侧变换器和电网侧变换器均采用常规矢量控制方案进行控制。

3）建议。当电网三相对称故障发生后，电机侧变换器采用电流内环控制方式输出足够的定子控制电压，且其峰值在电机耐压限幅范围之内，其动态调节发电机的电磁转矩以及输出有功功率均迅速减小，经电机侧变换器馈入直流侧电容和电网侧变换器的功率减小，这就非常有利于直流侧电容及网侧变换器实现低电压穿越。当电网故障切除后，电机侧变换器重新采用功率、电流双闭环的跟踪控制模式，使发电机输出额定有功功率，为故障后电网恢复提供支持，将直流链电压的最大上升变化值限制在额定电压的10%左右，保证其在安全运行范围之内。当电网故障切除后，电网侧变换器重新采用带前馈的电压、电流双闭环控制模式稳定直流链电压，使发电系统输出额定有功功率，以帮助电网恢复正常运行。

在电网故障时采用考虑发电机功率信息的网侧变换器电流闭环控制来实现直流链电压稳定控制，从而有效实现发电系统的低电压穿越运行。本文提出的控制方案也避免了增加多余硬件保护装置，为各类电网故障下永磁直驱风电机组的低电压穿越运行提供了一种可选的解决思路。

参考文献

[1]刘胜文，包广清，范少伟.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，2017，40（2）：135-140.

[2]孟永庆，王健，李磊，等.考虑风机转速限制及卸荷电路优化的永磁同步电机新型低电压穿越协调控制策略中国电机工程学报，2018，35（24）：6283-6292.

[3]李少林，王伟胜，王瑞明，等.双馈风电机组高电压穿越控制策略与试验[J].电力系统自动化，2016，40（16）：76-82.