基于储能Crowbar的直驱风电系统低压穿越控制策略

李自成，张智越

(武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430205)

0 引言

风能是取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源，在新能源发展过程中一直处于非常重要的地位[1-2]。世界各国都对风力发电系统的低压穿越(low-voltage ride-through,LVRT)能力制定了严格的要求。中国亦提出了风电机组并网的相关要求及标准：当风力发电系统的并网电压降至额定电压的20%时，必须确保风力发电机在625 ms内不离网；当并网点的电压在下降后2 s内恢复到额定电压的90%时，风力发电机组可以保证不离网运行[3-4]。文献[5]～文献[8]提出在直流侧安装Crowbar卸荷电路、电池储能装置以及辅助变流器等硬件设备，以消耗或储存多余的能量。但传统Crowbar电路消耗电能造成资源浪费，添加硬件电路会提高系统成本以及体积。文献[9]提出通过改变发电机电磁转矩来降低发电机的输出功率；但发电机转速失稳会导致整个系统震荡。文献[10]提出通过可变桨距控制来降低风能输入，从而降低风电系统功率。但变桨控制响应慢，且容易出现超调等问题。

本文在详细理论推导以及对各种LVRT控制方法进行分析的基础上，综合传统控制方法，提出了一种基于电容储能装置的滞环互锁控制Crowbar电路的协调控制方案，并就这种控制策略与传统Crowbar卸荷电路控制策略进行对比。通过 Matlab/Simulink 仿真，验证了该控制方案正确性与稳定性。

1 永磁同步风力发电机数学模型

永磁同步风力发电机的拓扑结构如图1所示。

图1 永磁同步风力发电机拓扑结构图Fig.1 Topologic structure of permanent magnet synchronous wind power generator

发电机组将风能转换为具有变化频率和幅度的交流电，经过整流器以及逆变器的整合之后，发出频率和幅度都一定的交流电并入电网[1]。

1.1 机侧变流器控制算法

三相静止坐标系中交流电机的转矩控制难以实现，因此需要矢量控制[2]。两相旋转坐标系中，永磁同步电动机的电流方程为[3]：

(1)

(2)

(3)

将isd=0代入式(3)，则电磁转矩方程变为[4]：

(4)

式中：usd和usq为发电机定子输出电压的d轴和q轴分量；isd和isq为发电机定子输出电流的d轴和q轴分量；Lsd和Rs为定子电感和电阻；ω为电机的转速；p为发电机的极对数；Ψ为磁通。

为了使实际电流值跟随给定值，以比例积分(proportion integration，PI)调节器为例，得到系统最终控制方程，如式(5)所示[5]。

(5)

式中：KP、KI分别为电流环的比例和积分系数。

因此，机侧变流器控制框图如图2所示。

图2 机侧变流器控制框图Fig.2 Control block diagram of generator side converter

1.2 网侧变流器控制算

忽略网侧变流器产生的高次谐波[6]。电网侧逆变器采用电压矢量控制原理。同步旋转坐标轴下，电网侧逆变器的数学模型为[7]：

(6)

通过控制输入电流，可以有效控制电能流动的速度和大小[8]。输入电流满足以下关系式：

(7)

将d轴固定为电网电压矢量Us能使算法简化，得到电网电压的d、q分量为：

(8)

式中：um为相电压幅值。

逆变器侧d、q下有功P和无功Q分别为[9]：

(9)

网侧控制框图如图3所示。

图3 网侧变流器控制框图Fig.3 Control block diagram of grid side converter

2 低电压穿越的控制方法

2.1 传统Crowbar的低电压穿越保护方案

传统耗能Crowbar的LVRT方案通常采用图4的方案。耗能电阻通过功率器件连接到直流(direct-current，DC)侧[10]。

图4 传统Crowbar卸荷电路Fig.4 Traditional Crowbar unloading circuit

系统正常工作时，保护电路未连接到电路中。系统由于故障发生电压跌落，机侧功率大于网侧的输出功率。此时，接入保护电路，Crowbar电阻直接消耗机侧多余能量，抑制DC侧电压升高以实现低电压穿越。耗能电阻R由ΔP以及udc_max来决定。不考虑系统中的非线性组件的能耗，则：

(10)

Crowbar电路的控制方程为：

(11)

ΔP=ΔUIdc_max

(12)

(13)

式中：ΔP为需消耗的功率之差；Udc_max为DC侧母线电压最大值；Idc_max为DC侧母线电流最大值；C为直流母线电容。

Crowbar控制原理如图5所示。

图5 Crowbar控制原理图Fig.5 Control principle of Crowbar

2.2 基于电容储能的Crowbar的低电压穿越

通过对传统耗能Crowbar保护电路的分析研究，发现其在低电压穿越中的缺点和不足。为了弥补这些缺陷，在原始保护电路中增加了电容器储能装置。

基子储能装置的Crowbar卸荷电路如图6所示。

图6 基于储能装置的Crowbar卸荷电路Fig.6 Unloading circuit of Crowbar based on energy storage device

基于储能装置的Crowbar控制原理如图7所示。

图7 基于储能装置的Crowbar控制原理图Fig.7 Crowbar control principle based on energy storage device

当系统发生对称故障跌落导致直流母线电压过高时，电路中的V1与VD2构成降压斩波电路，储能装置可吸收多余的电能；当DC总线电压降低时，电路中的V2与VD1构成升压斩波电路，并且能量存储装置释放能量，从而对电容器充电以增加DC总线电压。将V1和V2的触发信号进行互锁，以防止V1和V2同时导通造成DC侧短路。增加储能装置的Crowbar保护电路，能量回用可以有效地保护直流母线的过压和欠压。

3 仿真验证

为了验证基于电容储能Crowbar电路的可靠性，采用Matlab /Simulink软件建立相应的仿真模型，包括电网电压跌落故障设置模块、机侧整流模块、网侧逆变模块、风力机模块以及低电压穿越模块。永磁直驱风力发电机仿真参数如表1所示。

表1 永磁直驱风力发电机参数Tab.1 Simulation parameters of PM direct-drive wind power generator

电压跌落网侧单项电压如图8所示，接入Crowbar网侧单项电流(标幺值)如图9所示。

图8 电压跌落网侧单项电压Fig.8 Voltage drop grid side single phase voltage

图9 网侧单项电流(标幺值)Fig.9 Grid side single phase current(standard value)

仿真开始4.5 s后，网侧A相故障电压跌落80%，跌落持续时间为0.625 s，而系统功率恒定。因此，A相故障电流在4.5 s时增加，如图9(a)所示。切入Crowbar卸荷电路后，有功功率的降低导致图9(b)中电流相较图9(a)减小。

接入卸荷模块功率输出(标幺值)如图10所示。设置电网故障系统在4.5 s时发生电压跌落，而发电机输出功率不变，导致DC侧母线电压升高。此时切入Crowbar卸荷电路，多余的功率能够通过卸荷电路消耗储存，所以有功功率即在4.5～5.125 s显著降低。该方法可有效降低直流母线侧电压，且使无功功率保持为零，大大提高了系统的安全性。

图10 接入卸荷模块功率输出(标幺值)Fig.10 Power output after connecting unloading module (standard value)

接入卸荷模块后电磁转矩(标幺值)如图11所示。

图11 接入卸荷模块后电磁转矩(标幺值)Fig.11 Electromagnetic torque after connecting the unloading module(standard value)

在切入Crowbar电路前后，通过对比分析图11可知，系统没有产生大的震荡，整套风力发电系统持续安全稳定运行。

直流母线电压Udc变化如图12所示。未添加Crowbar卸荷电路之前电压震荡剧烈，添加传统的卸载电路后，母线电压显着降低。而由于传统的Crowbar电路局限性，无法补偿直流侧的欠电压。当加入储能Crowbar卸载电路时，DC侧的欠压可得到有效补偿。

图12 直流母线侧电压变化示意图Fig.12 Voltage change at DC bus side

综上所述，电网电压发生故障跌落后，利用传统Crowbar电路时，网侧变流器输出功率不变而使输出电流Ia变大。电流迅速达到极限值，并且网侧逆变器失去对DC总线电压Udc的控制。当Udc持续升高并超过最大值时，根据滞环判断，投入Crowbar电阻进行卸荷，直流侧多余功率通过电阻以热能的形式直接损耗。虽然传统的Crowbar卸荷电路对DC侧过电压有很好的限制，但对DC侧欠压不能进行有效补偿。

当风电系统采用具有储能设备的Crowbar卸荷装置时，可有效保护直流母线上的过电压状态。当故障阶段结束后，储能装置进行能量反馈，有效补偿了当电网电压恢复时引起的DC总线电压的欠压状态；且由于储能装置能量的回馈作用，减少了能量的损耗。

由于系统电磁转矩始终稳定未震荡，说明Crowbar电路的切入切出对于永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)的运转影响基本为零，验证了此方案控制的稳定性与正确性。

4 结束语

本文在Matlab/Simulink平台上，搭建了基于储能Crowbar直驱式永磁同步风力发电机组LVRT控制模型，综合分析了几种重要的LVRT控制方案，并结合前人的理论研究，提出了基于电容储能装置的滞环互锁控制投切Crowbar电路保证 PMSG 风电机组实现LVRT控制方案。该方案不仅对故障期间的风电机组直流侧电压进行有效控制，且与传统的Crowbar卸荷控制方法相比，基于储能的Crowbar卸荷方法在安全稳定运行的前提下，大大提高了直驱风力发电系统的低电压穿越能力。其节能特性更加符合当今发展需求。