电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略

电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略姚　骏,廖　勇,庄　凯(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆市400044)摘要:为提高永磁直驱风电机组所并电网的运行稳定性,研究电网故障下永磁直驱风电机组的运行特性以及提高其低电压穿越运行能力,文中提出一种适用于采用双脉宽调制变换器并网的永磁直驱风电机组的低电压穿越运行控制方案。

通过在电网故障时限制发电机的电磁功率来限制输入至直流侧电容和电网侧变换器的功率,通过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。

系统仿真结果表明,所提出的控制方案无需增加硬件保护装置,在电网对称及非对称故障下均可有效实现永磁直驱风电机组的低电压穿越运行。

关键词:风力发电;直驱;永磁同步发电机;电网故障;低电压穿越中图分类号:TM614;TM761收稿日期:2008211208;修回日期:2009203224。

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z422);重庆市科委科技计划项目攻关项目(CSTC2008AB3047)。

0　引言相对于有刷双馈风力发电系统,采用风轮机直接驱动的永磁直驱风力发电系统中省去了传动齿轮箱,系统中无电刷和滑环,因此其运行可靠性和发电效率得以提高,使得该类发电系统在风电场中逐步得到广泛应用[126]。

随着并网风电场容量的提高,风电系统对电网的影响也变得越来越重要。

目前新的电网规则均要求当电网发生严重短路故障时,并网风电机组能够实现低电压穿越运行,在故障切除后发电机组能够迅速恢复正常运行,以帮助电网恢复正常工作。

由于永磁直驱风电机组中采用全功率变流器连接永磁同步发电机(PMSG )和电网实现并网发电,因此电网电压骤降时全功率变流器的运行特性就直接关系到发电系统的低电压穿越运行能力。

目前,已有文献针对采用全功率变流器并网的永磁直驱风电机组低电压穿越运行能力进行了分析研究[7211],其中文献[9210]通过在并网双脉宽调制(PWM )变换器直流侧增加卸荷负载构成直流侧Crowbar 保护电路,实现了电网电压跌落时永磁直驱发电系统的低电压穿越运行;在此基础上,文献[11]通过在电压跌落时控制网侧变换器提供无功电流来稳定电网电压,进一步增强发电系统的低电压穿越能力。

上述方案中均需在双PWM 变换器直流侧增加耗能电阻,这无疑会带来系统空间安装及散热设计等问题。

另外,当电压跌落和恢复时针对保护电阻的投切控制也需要准确的时序逻辑控制,这也增加了系统控制难度。

因此,有必要进一步研究适用于永磁直驱风电机组的低电压穿越控制方案,提高该类发电系统的故障穿越适应能力。

本文在文献[6]的基础上,针对采用双PWM 变换器并网的永磁直驱风电机组的运行特点,提出一种适用于永磁直驱风电机组的低电压穿越运行控制方案。

1　电网故障时电机侧变换器控制策略图1为采用双PWM 变换器并网的永磁直驱风力发电系统结构,通过控制电机侧变换器实现PMSG 的最大风能跟踪控制,控制电网侧变换器实现中间直流链电压稳定控制及并网无功功率控制。

图1　基于双PWM 变换器的永磁直驱风电系统结构Fig.1　B lock diagram of permanent m agnet direct 2drivenwind 2pow er generation system b ased on b ack 2to 2b ack PWM converter由文献[1,6]可知,电网电压正常时可通过控制PMSG 定子电流q 轴分量实现对电磁转矩的控制,—19—第33卷　第12期2009年6月25日Vol.33　No.12J une 25,2009通过调节风力机转速实现最佳叶尖速比运行可实现发电机的最佳风能跟踪控制。

在额定风速以下,当风速变化时,PMSG 输出的最佳有功功率指令P 3s 可表示为:P 3s =k ω3-ΔP (1)式中:k =ρA (R/λopt )3C pmax /2;ρ为空气密度;A 为风力机扫风面积;R 为风轮半径;λopt 为最佳叶尖速比;C pmax 为最大风能利用系数;ω为风力机的机械角速度;ΔP =P 0+P cus +P fes ;P 0,P cus ,P fes 分别为机械损耗、定子铜耗、定子铁耗。

按式(1)给出的有功指令P 3s 控制发电机输出的有功功率,可使风力机实时捕获最大风能。

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PI 控制,其调节输出量作为发电机定子电流q 轴分量给定;控制系统内环则分别实现定子d 轴、q 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,多余的能量将流入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。

假设故障发生后电网侧变换器输入电网电压跌落至正常工作时的K u 倍,即U =K u U N(2)式中:U N 和U 分别为电压跌落前后的电网侧变换器输入电压值。

若忽略发电机的损耗,可按电压跌落程度限制发电机输出的电磁功率,即P em =kω3K u (3) 对于持续时间为Δt 的电网短路故障过程而言,由于并未限制风机功率,因此发电机从风机中吸收的多余能量将转换为转子动能并促使转子加速,在这一过程中转子获得的动能增量可表示为:(k ω3-k ω3K u )Δt =12J ω22-12J ω21(4)式中:J 为包含风轮机和发电机的总转动惯量,其大小由发电机组的总惯性时间常数H 决定;ω1和ω2分别为故障发生前后的转子转速。

假设故障前发电机以额定转速运行并输出额定功率,这时发电机运行于最不利于实现系统低电压穿越的情况,利用式(4)可得短路故障持续Δt 时间后发电机的运行转速为:ω2=ω1(1-K u )ΔtH+1(5) 若取H 为5s ,以电网电压跌落至0、故障持续时间为200ms 为例,由式(5)可得故障后发电机的转速较额定转速增大约2%。

可见,在故障过程中按电网电压跌落程度限制发电机的电磁功率时,因风机过剩功率产生的发电机转速上升程度很小,可认为故障过程中转速几乎不变。

因此,在故障过程中可根据被限制的发电机电磁功率计算发电机的给定电磁转矩T 3em 、定子电流q 轴给定分量i 3s q 分别为:T 3em =k ω3K u ω(6)i 3s q =k ω3K u ωp Ψ(7)式中:p 为极对数;Ψ为转子永磁体磁链。

在故障过程中可将发电机的功率、电流双闭环控制模式切换为电流闭环控制模式,控制定子电流d 轴分量为0,同时按式(7)给出的转矩电流指令i 3s q 控制子电流q 轴分量即可有效限制发电机的电磁转矩。

如图2所示,当电网电压正常时,控制开关连接端口1,这时发电机按功率、电流双闭环控制方式实现风能跟踪,而当电网电压骤降后,控制开关切换为连接端口2,这时发电机按电流闭环控制方式限制发电机输出的电磁转矩和电磁功率。

当电网故障切除后,控制开关又重新切换到端口1,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　电网故障时电网侧变换器控制策略由文献[6]可知,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。

—29—2009,33(12)　图2　永磁直驱风电系统低电压穿越控制框图Fig.2　Low voltage ride2through control block diagram of perm anent m agnet direct2driven wind2pow er generation system 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文献[6]所提出的协调控制方案,即利用电机侧变换器的功率信息协调控制电网侧变换器。

根据双PWM变换器的输入、输出功率平衡关系有[6]: Ce g d u dcd u dcd t=u s d i s d+u s q i s qe g d-i g d=P se g d-i g d(8)式中:C为直流电容值;e g d和i g d分别为d2q同步旋转坐标轴系下网侧电网电压、电流的d轴分量;u dc 为直流链电压;P s=u s d i s d+u s q i s q,为PMSG输出的有功功率;u s d,u s q,i s d,i s q分别为d2q同步旋转坐标轴系下发电机定子电压、电流的d轴、q轴分量。

如图2所示,当电网电压正常时,控制开关连接端口3,这时将P s/e g d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d轴电流给定值i3g d,则当电网电压恢复后网侧变换器d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d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P s与电网侧变换器输出功率e g d i g d之间的功率偏差ΔP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。

借鉴文献[12]所提出的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d轴电流给定分量i3g d设定为反映发电机输出有功功率的前馈量P s/e g d,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d轴电流,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。