直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略-

1、 收稿日期:2011-01-22作者简介:赵兴勇(1965,男,山西太原人,博士,教授,硕士生导师,从事电力系统稳定与控制、先进能源发电及智能电网方low voltage ride -through 的定量标准。经过多年的研究和实践,我国即将有正式的规则出台。直驱永磁同步发电机组具有较好的低电压穿越能力,代表了风力发电机的发展方向。因此,研究直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越具有重要的现实意义。文献2提出利用耗能电阻或储能系统实现低电压穿越;文献3提出利用与网侧直接相连的HVDC-link 来提高风电机组的低电压穿越能力;文献4提出结合桨距角控制改善机组的低电压穿越特性;文献5提出通过控制直流

2、侧过电压和逆变侧过电流提高风电机组的低电压穿越能力;文献6通过网侧变频器改善风电机组的低电压穿越能力。上述文献大多是从某一角度提出改善风电机组低电压穿越能力的措施。本文提出将保持直流链电压稳定与桨距角控制相结合的综合控制策略,提高直驱永磁同步风电机组(direct -driven wind turbine unit withpermanent magnet synchronous generator,DDPMSG 低电压穿越能力。利用PSCAD/EMTDC 对直驱永磁同步风力vector pulse width modulation 变流器并入电网,发电机与电网不存在直接耦合。风电机组注入电网

3、的有功功率P e 如式(1所示7:P e =u d i d +u q i q (1式中:u d 、u q 和i d 、i q 分别为变流器电网侧电压与电流在d 、q 轴上的分量。为了便于分析,取电网电压方向与q 轴一致,即u d =0,则式(1可简化为式(2:P e =u q i q (2假定网侧变流器工作于单位功率因数状态且已经达到额定电流,i q 达到限定值。当电网电压跌落时,注入电网的有功功率随电压跌落幅度正比减少。由于机侧变流器与电网解耦,发电机的输出功率基本不变,导致直流侧功率不平衡,引起直流链(DC-link 电压升高8,威胁变流器电力电子器件的安全。当变流器直流侧电压在一定范围内

4、波动时,电机侧变流器均可保持可控性,通过减少发电机输出功率,就可保持直流侧功率平衡,限制直流电压升高,实现低电压穿越。别为发电机定子电压在d、q轴上的分量;为发电机电角速度;为永磁体磁链。图2是机侧变流器控制框图(MPPT:最大功率跟踪。机侧变流器控制旨在保持直流链电压恒定,可实现DDPMSG最大风能的跟踪捕捉。电网电压正常时,通过控制指令控制发电机输出的有功功率,使风力机实现最大功率追踪。当电网发生故障,引起网时网侧变流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id*设定为反映发电机输出有功功率的前馈量。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流器的d轴电流,可最大

5、限度地减小直流链电压的波动,有效控制直流链电压的变化。图1桨距角控制器Fig.1Pitch angle controller图2机侧变流器控制Fig.2Diagram of generator-side controller图3网侧变流器控制Fig.3Diagram of grid-side controller第44卷中国电力新能源图4机侧有功功率Fig.4Generator -side active power图6直流链电压Fig.6DC -link voltage 图5网侧有功功率Fig.5Grid -side active power图7桨距角控制Fig.7pitch angle co

6、ntrol 在DC-link 电压控制过程中,当发电机转速或输出功率越限时,启动桨距角控制,通过减小风力机的功率,进而减小发电机的输出功率。3仿真计算与分析在分析DDPMSG 低电压穿越特性的基础上,利由图47可知,在电网发生三相短路的瞬间,由于机侧功率不能突变,直流链电压升高,随着机侧控制的作用,发电机输出功率减小,直流链电压趋于稳定,发电机侧及电网侧的功率都在减少,但转速略有升高。因此,在故障发生大约130ms 后,桨距角控制启动,减小输入发电机的机械功率,维持功率平衡及转速在额定值附近。,提出一种,即在电网故障引起电压跌落时,通过采用,限制输入,采用考虑发电机,以限制直流链电压的波,本文

7、所提控制策略,通过控制机,有效限制了直流链过电压,易于实现。:,杨淑英,等.风力发电低电压穿越技术综述J .电,2008,20(21-8.Xing,ZHANG Long -yun,YANG Shu -ying,et al .Low voltage technologies in wind turbine generation J .Proceedings 2008,20(2:1-8.J F,WATSON R.Low voltage ride -through of a full converterwith permanent magnet generator J .IET Renewable

8、2007,1(3:182-189.T D,KAUTIVA X I,VOVOS N A,et al .Control of an HVDCa wind turbine farm to the grid for fault ride -through J .IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(4:李山,王强刚,等.直驱型变速恒频风力风电系统建模及析J .重庆理工学院学报(自然科学版,2010,12(3:-lin,LI Shan,WANG Qiang -gang,et al .Modeling and of direct -driven variab

9、le -speed constant -frequency wind system J .Journal of Chongqing University of (Natural Science ,2010,12(3:168-173.R,SANDHU K S,JAIN D K.Low voltage ride through of gridwind driven PMSG J .ARPN Journal of Engineering and Sciences,2009,4(5:73-80.A,LIGHTBODY G.Wind turbine fault ride throughJ .IEEE T

10、ransactions on Power Systems,2005,20(4:赵兴勇:直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略第5期新能源1929-1937.7尹明,李庚银,张建成,等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略J.电网技术,2007,31(15:61-65.YIN Ming,LI Geng-yin,ZHANG Jian-cheng,et al.Modeling and control strategies of directly driven wind turbine with permanent synchronous magnet generatorJ.Power Sy

11、stem Technology,2007, 31(15:61-65.8姚俊,廖勇,庄凯.电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略J.电力系统自动化,2009,33(12:91-95.YAO Jun,LIAO Yong,ZHUANG Kai.A low voltage ride through control strategy of permanent magnet direct-driven wind turbine under grid faultJ.Automation of Electric Power SystemsJ.2009,33(12: 91-95.9杨晓萍,段先锋,钟彦儒

12、.直驱永磁同步风力发电机组不对称故障穿越的研究J.电机与控制学报,2010,14(2:7-12. 14(2:7-12.10叶行冶.风力发电机组的控制技术M.北京:机械工业出版社,2005.11李建林,胡书举,孔德国,等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压特性研究J.电力系统自动化,2008,32(19:92-95.LI Jian-lin,HU Shu-ju,KONG De-guo,et al.Studies on the low voltage ride through capability of fully converted wind turbine with PMSGJ.Automation of Electric Power Systems,2008,32(19: 92-95.12张崇魏,张兴.PWM整