超级电容储能的双馈风机低电压穿越能力研究
发布时间：2022-03-28
摘 要：针对双馈风电机低电压穿越过程中存在的问题，在分析电压跌落时风机直流侧电压模型的基础上，提出了超级电容器经隔离型全桥 DC/DC 变换器并联在风机直流母线处。通过超级电容储能系统吸收电网低电压故障时在直流侧产生的不平衡功率，以此抑制直流母线过电压。为了满足电网低电压故障期间的无功需求，机侧变流器采用无功优先控制;网侧变流器则采用电压功率协调控制方法，两侧共同向电网输送无功。在故障切除后，将超级电容释放的功率引入到网侧变流器控制中作为前馈量，平衡超级电容的电能。最后仿真结果表明了该控制方案在电网发生故障时能有效抑制直流侧过电压，向电网提供无功功率帮助电网电压恢复;在故障切除后能够加快输出有功恢复，有效提升了双馈风电机组可靠性和经济性。
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关键词：双馈风机;超级电容;低电压穿越;无功支持
0 引言
随着传统化石能源的枯竭，清洁可再生能源的开发和研究受到世界各国的广泛关注。双馈风电机组(doubly fed induction generator，DFIG)因其所需变流器容量仅占系统容量的 25%-30%，且其具有变速恒频方式、功率独立解耦控制等优点，在兆瓦级风电机组中受到了大范围的研究和应用。
风电在电力系统中渗透率日益增高，电网对风电机组运行特性的要求也在不断提升[1-2] 。目前已经要求并网的风电机组必须具有良好的低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力。风电机组不但在电网电压发生低电压故障时间范围内不允许脱网运行，而且还要在故障期间内要向电网提供一定的无功功率支撑电网电压[3-4] 。目前，DFIG 的 LVRT 能力主要通过 3 种方法来提高的：1)改进故障期间变流器的控制，这种方法经济性比较好，不需要额外的投资，但是当发生比较严重的低电压故障时，仅通过改进风机控制策略不能满足低电压穿越要求[5] 。文献[6]采用基于舒茨—基布逊法来抑制双馈风机直流侧过电压，但是并没有对无功功率进行控制;2)增加硬件控制电路，与 1)相比增设硬件电路效果更好，但是这种方法在低电压故障期间会改变风机的运行特性，不利于系统电压的恢复，而且投资成本也有所提高[9-11] ;3)结合风机的改进控制策略和硬件控制电路能更有效实现 LVRT，文献[12-13] 提出一种利用储能系统，减小低电压故障期间转子故障电流对直流母线的冲击，同时，超级电容储能系统吸收风电机组直流侧的不平衡能量将直流母线电压控制在允许范围之内，从而有效实现风电场低电压穿越。但是该策略并没有考虑故障切除后储能装置释放电能的过程，不利于系统经济和稳定运行。文献[14]采用的方式是利用通过控制 SMES 快速吞吐电超导储能元件并联到直流侧，实现能达到稳定直流母线电容电压的目的，但是该策略在故障期间仅仅通过机侧变流器进行无功电压控制，忽略了网侧变流器的无功补偿能力，大大削减了风机的 LVRT 能力。文献[15]通过串联改进型 Crowbar 电路结构实现抑制故障期间转子浪涌电流。此方法能有效抑制转子过电流并利用电容发出无功来减小 DFIG 在故障期间从电网吸收的无功功率，同时对网侧变流器的控制策略进行改进为系统提供一定的无功支撑，但 Crowbar 的投入存在一定的时间延迟，直流侧电压抑制效果因延迟的影响而导致效果不理想。文献[16]采用转子 Crowbar 电路和 DC ⁃chopper 电路，通过改进网侧变流器无功电压控制策略来完成 DFIG 的 LVRT，此方法中由于直流侧过电压的能量被卸荷电路消耗，造成了风机有功输出恢复减慢，不利于系统有功恢复。
针对上述方法中抑制直流过电压，无功控制以及经济性差等问题，本文在建立 DFIG 数学模型的基础上，通过分析直流侧在故障时的动态响应，结合风电场对动态无功补偿要求，建立双通道模式，对网侧换流器和机侧换流器进行了可行性的优化。短路故障切除后，超级电容积蓄的电能需要输出平衡，提出了网侧变流器电压功率协调控制。最后采用 Matlab/Simulink 进行算例仿真分析，验证该方法使双馈风机的低电压穿越能力得到极大的加强。
2 含有超级电容的双馈风机模型
由上面分析可知，直流侧过电压是风机在电压跌落期间，两侧存在严重不平衡功率。因此提出超级电容经隔离型 DC/DC 变换器连接到直流侧的控制方案，以此来平衡不平衡功率。
含有超级电容双馈风机发电系统的结构主要由风力装置，异步发电机以及两个背靠背的 PWM 变流器组成，超级电容通过直流变换器并在风机直流侧见图 3。当电网故障导致直流侧电压变化时，超级电容储能系统起到快速蓄能或消耗多余能量的作用以解决直流侧电压过高或过低产生的能量不匹配问题。
2.1 超级电容连接DC/DC变换器的结构
如图 3 所示，本文采用隔离型全桥 DC/DC 变换器作为储能系统充电和放电的变换拓扑。Vsc 为低压侧超级电容两端的电压，Vdc为高压侧直流母线电压。变换器先进行 PWM 移相控制，再进行不控整流，利用隔离变压器进行能量传送，因为引入了隔离变压器，通过调节变压器的变比就可以实现大范围内电压的调整;在变换器中，开关管电压和电流应力小因此很容易实现软开关，具有较高的系统转换效率。
3.2 超级电容储能的隔离型全桥DC-DC变换器控制策略
根据式(15)和式(16)可知，当直流电压超过给定参考值时，超级电容蓄能系统吸收直流侧不平衡功率并储存，变换器应工作在 Buck 模式，从而降低直流电压至稳定范围;超级电容释放储存的能量时，变换器应转变为 Boost 模式，将超级电容故障期间存储的能量输出至直流侧，使直流电压升高至稳定范围，从而最终达到抑制直流过电压的作用。
相关期刊推荐：《电力电容器与无功补偿》(双月刊)创刊于1980年，由西安电力电容器研究所、中国电工技术学会电力电容器专委会主办。设有：论文、设计和研究、制造技术、试验研究、使用与维护、综述、专题讲座、问答及消息报道等栏目。
隔离型全桥 DC/DC 变换器的控制见图 5。对超级电容的端电压 VSC、直流母线电压 Vdc和电感 L1的电流 iSC进行电压电流双闭环控制。当变换器处在 Boost 放电模式下，VSC作为电压外环，iSC作为电流内环进行双闭环 PI 控制。Buck 充电模式下，直流母线电压 Vdc为外环，iSC为内环进行双闭环控制。
3.3 网侧变流器的控制策略
1)电网正常运行时，网侧变流器运行在单位功率因数，维持直流侧电压的稳定，且输出有功为额定值。
2)电网发生严重的短路故障时，仅通过机侧变流器的无功优先控制实现低电压穿越效果不理想。通过引入电网电压与给定电压的电压差 ΔV，然后通过 PI 控制器来确定网侧变流器无功参考值，实际无功功率跟踪无功参考值经 PI 控制器后得到无功电流的参考值。当电网发生低电压故障时无功电流的参考值就会变大，从而支撑电网电压。
3)电网故障切除后，网侧变流器需释放超级电容储存的电能。网侧变流器采用有功功率协调的控制来平衡电能，实现输出有功的快速恢复，将超级电容功率和机侧电流器的功率作为前馈引入到网侧控制中，有公式为
4 仿真验证分析
本文为验证含有超级电容双馈风机组的低电压穿越方案的有效性，利用 Matlab/Simulink 搭建了含超级电容的双馈风机并网模型图，见图 7-8。当 B4发生三相短路时，将传统控制策略下故障运行特性和本文所提的控制策略进行对比分析。双馈风力发电机组的仿真参数见表 1。
图 9 为传统控制策略下的系统仿真图，从图中可见，风机处在单位功率因数模式下，网侧无功给定为 0，如图 9(a)、图 9(b)所示：在故障期间，传统的控制策略几乎没有向电网输入无功功率，B1 母线电压在 0.3 p.u.左右，持续时间为 0.4 s(3~3.4 s)。由于无功功率不足，在 2.4 s 切除故障后电压没有很快恢复至正常电压。故障期间直流侧电压迅速上升约为 2 700 V，大大超出两侧变流器和直流电容的承受范围，且在故障切除后经过 0.25 s 恢复至正常水平，如图 9(d)所示。图 9(c)为双馈风机输出有功波形，双馈风机有功输出能力在低电压故障时严重下跌，在故障切除之后，需经过 0.65 s 有功出力才恢复至正常水平。在传统控制策略下，转子的电流达到了正常运行时的 3 倍为 1.8 p.u.。
图 10 为带有超级电容蓄能控制策略下仿真波形图。在本文所提的控制方案下，为了使此方案更加具有说服力，当电网在 3 s 时发生三相短路，故障持续时间为 0.625 s。如图 10(a)、图 10(b)和图 10(c)所示，故障期间 B1母线电压约为 0.4 p.u.，比传统控制策略下提高了约 0.1 p.u.;期间风机向电网注入了 0.46 p.u.的无功功率(其中机侧变流器向电网注入约为 0.15 p.u.的无功功率)。图 10(e)所示为投入超级电容后，直流母线电压波形，由图可知在投入超级电容后直流母线的过电压得到了有效抑制，电压波动小于 15%，小于风机脱网电压，双馈风机运行稳定。从图 10(d)可以看出，在 3.625 s 时刻有功功率输出得到了有效恢复，这也表明网侧变流器平衡电能控制的有效性。图 10(f)表示为转子电流，在发生短路故障时转子电流上升为 1.6 p.u.相比于传统控制策略下短路时转子电流下降了 0.2 p.u.。
5 结语
本文针对双馈风机系统低电压穿越过程中存在的问题，提出了超级电容经隔离型 DC/DC 变换器组成的储能控制系统并联到直流母线处，并通过 Matlab/Simulink 软件对风电并网时低电压穿越能力进行仿真分析。得出如下结论：
1)实现了并联超级电容蓄能系统抑制故障期间直流侧母线过电压。
2)达到了网侧和机侧变流器在发生低电压故障时，两侧变流器的无功功率控制输出无功电流保证了电网的无功需求，电压的支撑有效减小故障期间转子电流。
3)在电网故障切除后，通过网侧变流器平衡电能的控制进而加快恢复风机输出的有功功率。最后结果表明基于超级电容储能的双馈风机低电压穿越能力相比于传统控制的风机得到了显著的提升。——论文作者：李娟1 ，王鹏2 ，李方媛1 ，胡阳1 ，董光睿1
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