Distributed Energy, 2019, 04(03): 56-62 doi: 10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.03.009

应用技术

永磁电机低电压穿越的协调控制策略研究

张召鹏

大唐东北电力试验研究院有限公司,吉林 长春 130012

PMSG Low Voltage Ride Through Based on Coordinated Control Strategy

ZHANG Zhaopeng

Datang Northeast Electric Power Test and Research Institute Co., Ltd., Changchun 130012, Jilin Province, China

收稿日期: 2019-03-08  

Received: 2019-03-08  

摘要

电网中风电比例占比较高时,风电系统如果出现大面积脱网,将会对电网造成严重影响。通过分析同步直驱永磁风力发电机组(permanent magnetic synchronous generator,PMSG)故障的运行特性,为能够提高PMSG的低电压运行能力,依据现有的保护策略,提出一种新的低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)协调控制策略,包括将卸荷电路的直流制动系统控制、双二阶广义积分锁相控制、提取电网电压正负序以及网侧无功控制的综合协调控制策略。以电网中常见的三相对称跌落故障及单项接地短路造成的不对称故障,通过PASCAD仿真实验来验证风力机组低电压穿越能力,分析结果表明:所提出的综合协调控制策略可实现风电机组在低电压故障期间的安全穿越,提高了系统稳定性与实用性,验证了新型的低电压穿越控制策略的有效性和优越性。

关键词: 直驱风电机组 ; 电网故障 ; 低电压穿越(LVRT) ; 协调控制 ; 仿真分析

Abstract

In the power grid with high proportion of wind power, large-scale disconnection of wind power system during voltage sags will have a serious impact on the grid. Based on the analysis of the operation characteristics of the fault of direct-drive permanent magnetic synchronous generator (PMSG) and the existing protection strategies, in order to improve the low-voltage operation capability of PMSG, a new coordinated control strategy for low-voltage ride through (LVRT) is proposed, which includes DC brake system control of unloading circuit, double second-order generalized integral phase-locked control, extracting positive and negative sequence of grid voltage and reactive power control on grid side. Based on the common three-phase symmetrical drop fault and asymmetrical fault caused by single grounding short circuit in power grid, PASCAD simulation experiment is conducted to verify the LVRT ability of wind turbine. The simulation results show that the proposed control strategy can realize the safe passage of wind turbines during low voltage fault and improve the stability and practicability of the system, which verifies the effectiveness and superiority of the new LVRT control strategy.

Keywords: direct driven wind turbine ; grid fault ; low-voltage ride through (LVRT) ; coordination control ; simulation analysis

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张召鹏. 永磁电机低电压穿越的协调控制策略研究. Distributed Energy[J], 2019, 04(03): 56-62 doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.03.009

ZHANG Zhaopeng. PMSG Low Voltage Ride Through Based on Coordinated Control Strategy. [J], 2019, 04(03): 56-62 doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.03.009

0 引言

当前,风力发电并网点的电压瞬时跌落故障是占风电工程故障比重较大的一类[1]。发生电网电压跌落时,如果不加以控制使风力发电机自动拖网,则会导致大面积停电甚至有可能使局部电网瘫痪[2],因此,各国相继提出了很严格的故障穿越标准。当电网电压发生跌落时,要求系统不脱网运行,甚至风电场还应具有一定的无功补偿能力,能够在电网发生故障时按照规定标准的时间要求进行并网运行[3,4]。国内外的研究学者针对如何实现同步永磁风力发电机组(permanent magnetic synchronous generator,PMSG)的低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)问题提出了各自的控制思路及控制策略,但都是解决部分问题,如稳定直流母线电压或是用一般的控制算法解决单一的电压问题[5,6];而现实中电压故障复杂多样,需要一种全新的控制策略来应对。本文旨在合理地运用PMSG的优势,设计一种能够确保PMSG持续联网运行的LVRT方案,并能在电网电压跌落时,做出准确快速反应。对PMSG LVRT技术的研究具有重大意义,它能够促进风电的大规模发展,同时能改善风电联网的运行性能[7]

1 直驱永磁风力发电机组故障运行特性

风力发电机组在运行时由于风力机转速变化产生电压、频率不稳定的交流电,电流在经过全功率变流器后,频率将固定在50 Hz,幅值固定的三相电馈入电网[8]。能量流动图如图1所示。

直流侧两端的等效电路Equivalent circuits at both ends of the DC sideFig.1

在abc三相坐标系下,将注入电网的有功功率表示为

Pg=uaia+ubib+ucic=udcig

式中:uaubuc为电网三相电压的瞬时值;iaibic为三相电流瞬时值;udcig分别为直流侧电压和电流。为实现解耦控制,将式(1)变换到dq坐标系下,有

Pg=32(ugdigd+ugqigq)

式中ugdugqigdigq分别为电网测的电压和电流,dq表示轴分量。

假设电网电压与d轴电压重合,则d轴和q轴的电压分量分别为ugdugugq=0,此时注入电网的有功功率可简写为

Pg=32ugdigd=udcig

机侧输出的有功功率在dq坐标系下表示为

Ps=usdisd+usqisq=udcis

式中:is为机侧电流;isdisq为变换到dq轴的电流;usdusq为变换到dq轴的机侧电压。

当电网正常工作时,直流母线电压稳定,注入电网的功率等于发电机输出的功率;当电网发生故障时,电压会突然跌落,使Pg瞬间减小,而由于风能未发生变化,所以机械功率不变,输出的机侧功率Ps不变,这样会使直流电容两侧的功率不平衡,此时产生的差值公式为

Cudcdudcdt=PsPg=ΔP

式中C为中间直流侧的电容容量。

这部分产生的能量ΔP将对直流电容直接充电,累积在电容上的能量使其两端电压迅速升高。当电压值超出限值则导致风力机拖网,对电网系统造成冲击[9]

根据已有的保护策略,设计一种基于网侧双二阶广义积分提取正负序快速检测的方法,将网侧逆变器无功补偿配合卸荷电路协调控制策略。控制策略为:首先利用双二阶广义积分快速地检测电网侧电压故障,快速精确判断故障类型,并得出需补偿的无功功率大小;然后通过PI调节网侧逆变器与卸荷电阻的不同切入阈值,达到互相配合的目的,网侧逆变器可进行无功补偿,多余的电能通过投切卸荷电路来释放,从而实现电网故障的LVRT。

2 基于卸荷电路的直流制动系统控制策略

依照我国对风电系统LVRT的要求,需要保证风力发电系统在电压跌落后的一段时间保持系统不脱网运行[10]。按照第1节叙述则需及时将电容的电荷迅速卸掉,同时控制网侧逆变器,对系统进行一定的无功补偿,以联合协调控制的方法实现风力发电系统的LVRT运行。

图2是卸荷保护电路的控制原理图:系统稳定运行时,卸荷电路不工作;当电网发生故障时,从整流侧输入的有功功率Ps与风力机吸收的功率成正比,不会突变;但是经过逆变侧馈入电网的功率由于故障会骤减,从而产生不平衡功率ΔP。当ΔP大小超过阈值ΔPt时,ΔP经过PI调节器控制脉宽调节器的输出信号,投入卸荷电路释放该部分不平衡功率。在PI调节器里设置一个滞环,使ΔP在临界点时不会频繁地输出动作信号,以起到减少投切动作,减少设备损耗及提高系统稳定性的作用。

卸荷电路原理图Schematic diagram of unloading circuitFig.2

3 锁相及正负序电压提取

正常运行时,网侧逆变器是将电容两侧直流电逆变成与电网相位、幅值相同的三相电并入电网。当并网点电压瞬间跌落时,电网侧会瞬间产生大量无功功率,此时除了投入卸荷电路之外,还需要网侧逆变器发出一定的无功功率实现无功补偿[11]。按照LVRT要求,逆变器发出无功功率必须反应迅速,为实现逆变器准确动作,提出一种基于双二阶广义积分的锁相环技术,用于并网点的电压检测。

常规控制策略中的电压锁相是应用于电网电压平衡状态下,当电动势出现不平衡时存在致命的缺陷[12]。基于双二阶广义积分的锁相环实现风力发电并网逆变系统的锁相,检测出不对称电网电压中的正序和负序分量。其中锁频环的暂态对称分量是由基于二阶广义积分器的自适应滤波器获得,根据如下变化式:

uabc=uabc++uabc+uabc0

将不对称电压向量uabc分解为瞬时正序、负序和零序分量:

uabc+=[T+]uabc,[ua+ub+uc+]=13[1aa2a21aaa21][uaubuc]

uabc=[T]uabc,[uaubuc]=13[1a2aa1a2a2a1][uaubuc]

uabc0=[T0]uabc,[ua0ub0uc0]=13[111111111][uaubuc]

式中:T为矩阵变换量;a为瞬时正弦输入信号中加入基波频率的相移,它等值为120°相移,是Fortescue算子的特殊形式。对三相并网变换器的研究主要集中在电压正序和负序分量的控制上,uabc中的各序分量通过如下变换矩阵:

Tabc/αβ=23[1121203232]

变换为

{uαβ+=[Tαβ]uabc+uαβ=[Tαβ]uabc

式中:uαβ+为电压正序分量;uαβ为电压负序分量。将式(10)代入式(11)中,可得到

{uαβ+=[Tαβ][T+]uabcuαβ=[Tαβ][T]uabc

应用变换逆矩阵[Tαβ]-1,有

{uαβ+=[Tαβ][T+][Tαβ]1uαβuαβ=[Tαβ][T][Tαβ]1uαβ

最后,运算这些矩阵,可得到

uαβ+=[Tαβ+1]uαβ,[Tαβ+1]=12[1qq1]

uαβ=[Tαβ1]uαβ,[Tαβ1]=12[1qq1]

式中q=ejω2,表示滞后90°的移相运算。此运算应用到时域时可得到输入波形的交轴分量。

uαuβquαquβ是输入向量中αβ分量中的直轴和交轴信号,它们通过两个二阶广义积分器-正交信号发生器产生[13,14]。以这些信号作为正/负序分量计算模块PNSC的输入信号,在αβ轴上各序分量的公式为式(13)、(14)。其中基频正、负序分量通过PNSC解耦获得,并应用锁相环检测基频正序分量的相位和频率,最后通过双二阶广义积分器获得的从不对称输入电压向量到正序分量的传递函数公式为

uαβ+=[Tαβ+]uαβ=12kω's2+kω's+ω'2[sω'ω's]ω'

双二阶广义积分器的三相锁相环结构如图3所示。

双二阶广义积分锁相环结构图Structure diagram of bi-second-order generalized integral phase-locked loopFig.3

在双二阶广义积分解耦三相锁相系统中的相位反馈环与频率反馈环是相交错的,这样会使系统超调变大、稳定时间过长[15,16]。由于电网相角没有电网频率稳定,所以选用锁频环代替锁相环。

信号uαuβ作为双二阶广义积分器锁频环系统的输入,具有相同的频率,而αβ信号发生器产生的频差信号是利用计算平均误差信号的方法来合并:

εf=εf(α)+εf(β)2=εαqu'α+εβqu'β2

式中:εf为合并频差信号;εf(α)εf(β)分别为αβ频差信号。双二阶广义积分器锁频环实现了对αβ参考坐标上三相电压的对称分量解耦估计和电网频率的估计。该检测控制算法可实现电网故障的快速、精确检测,尤其针对电网侧的不对称故障,能在第一时间对故障做出判断。

4 网侧变流器的无功补偿控制

当电网电压发生深度跌落时,电网侧会产生大量的无功需求。对网侧脉宽调制变流器采用的是定向dq轴的解耦控制,其中d轴和q轴分别为控制直流电压及无功电流,所以可通过对q轴电流大小的调节,来实现对电网电压的无功补偿。

当电网侧电压跌落时,网侧变流器工作在无功补偿状态,此时重新设定dq轴的电流参考值,通过电网电压外环的PI调节器计算出用于无功补偿的有功电流ireactive。借助下式计算出电压外环在无功补偿时提供的最大有功电流iactive

iactive=imax2ireactive2

式中imax为网侧变流器允许通过的最大电流值。逻辑判断iactive与原有功电流参考值igdref的大小,如果iactive较大,则代表电压外环的无功补偿能力足够稳定直流电压,能够保证系统稳定;如果iactive较小,则代表电压外环的无功补偿能力无法稳定直流电压,要保证系统的稳定性,需要再经过PI调节器控制投入卸荷电路,以消耗多余的无功功率。

提取网侧正序电压与额定电压的90%对比。当网侧变流器检测到电网正序电压低于额定电压的90%时,延迟30 ms进入LVRT,在LVRT期间无功电流优先控制,网侧变流器按照电压跌落的深度发无功电流,以支撑电网电压恢复。电网电压恢复后,变流器延迟20 ms,退出LVRT运行模式。

LVRT期间无功电流控制方式如下:

ireactive=2(0.9Upositive)IN

式中IN为风电场额定电流。

电网电压对称跌落时,LVRT期间的无功电流波动范围是[0,50%];电网电压不对称跌落时,LVRT期间的无功电流波动范围是[0,40%][17]。通过上述分析,改进了网侧换流器的控制策略,使其能满足当电网侧电压发生故障跌落时,及时提供无功补偿并稳定电源电压的作用。改进后网侧变流器的控制原理如图4所示。

改进网侧变流器控制原理图Control schematic diagram ofimproved grid-side converterFig.4

5 优化后LVRT控制策略仿真分析

故障工况:PMSG系统在实验风速(9.3 m/s)、电网中压侧电压28.5 kV下运行,在1.5 s时电网发生三相对称电压跌落故障,故障持续时间为1.85 s,跌落深度为50%。

传统控制策略下仿真图形如图5所示。在电网电压出现50%跌落故障时,风电机组能够实现不脱网运行,实现了LVRT。但是从图5可看出,电网电压发生50%对称跌落的故障期间,网侧有功功率减少约46.09%,无功补偿约27.57%,功率因数下降约9%,虽然理论上能实现LVRT,但并不能达到并网标准。依照吉林省电力科学研究院规定的三相电网电压大功率对称跌落的标准:在电网电压跌落瞬间,网侧有功功率会出现短暂的大幅度跌落(跌幅约达62.75%),然后回复平稳(跌幅约达52.94%),而常规控制策略得到的有功曲线只停留在实验结果,并不能真实有效地反映现实状况。

电压跌落50%时传统控制策略仿真波形图Simulated waveform of traditional control strategy with 50% voltage sagFig.5

采用本文控制理论的仿真结果如图6所示。控制策略经过改进之后,相同电网故障期间网侧有功功率减少约58.26%,无功补偿约53.39%,功率因数下降约33%,有功无功参数已达到标准,虽然损失些功率因数,但是能够保证电网故障期间风机不脱网运行,并保障高质量电能输出。

电压跌落50%时改进型控制策略仿真波形图Simulation waveform of improved control strategy when voltage drops by 50%Fig.6

针对风电场实际运行中遇到的各种工况(包括大风即大功率对称及非对称电压跌落、小风即小功率对称及非对称电压跌落),通过以上仿真及对比检测可看到:在电网故障期间,直流电容上功率瞬间增大,导致直流母线电压出现抬升,但波动值均在安全运行范围之内;网侧有功功率因机网两侧功率不平衡而出现跌落,但是无论平均偏差还是最大偏差均在允许安全运行范围之内;网侧无功功率在故障期间需要对电网提供无功补偿,以使电网电压尽快回升而出现抬升,不仅提供了足够的无功补偿,而且无论平均偏差还是最大偏差均在允许安全运行范围之内。以上完全保障了风力发电机组在故障期间实现LVRT,不脱网运行,避免了因电网故障而造成的直接或间接的经济损失。

6 结论

本文对PMSG机组的数学模型以及运行控制的方法进行研究,通过分析机网两侧功率不平衡引起直流侧电容电压波动的原因与常规的直流制动控制策略,总结出PMSG机组的常规控制策略在实现LVRT过程中的优点和不足。选择了一种新的LVRT协调控制策略,即将卸荷电阻控制、锁相控制、提取电网电压正负序以及网侧无功控制的综合协调控制,提高电网电压稳定性,实现风电机组在低电压故障期间的安全穿越,提高了系统稳定性与实用性。搭建仿真模型,解决了常规控制方法只能符合理论,实现低穿,却不能并网发电的问题,验证了新型的LVRT控制策略的有效性和优越性。

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