基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究 。 。● 电工电．＿【 （２０１０ Ｎｏ．１０） 设计与研究一 基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究 郭学英 ，金晓林 （１东南大学电气工程学院，江苏南京２１００９６；２无锡供电公司，江苏无锡２１４０６２） 摘要：新的风电并网标准要求风电机组具有低电压穿越的能力。分析了直驱式风力发电系统的低 电压穿越能力，该系统在电压跌落期间由于能量不匹配而导致直流电压的上升，造成电网故障消失后网 侧变流器恢复正常运行缓慢。建立了直流侧增加超级电容器储能单元前后的直驱式风电系统仿真模型， 并分析其低电压穿越特性，结果显示超级电容器储能单元可有效增强系统的低电压穿越能力，提高风能 的利用效率。 关键词：超级电容器；低电压穿越；直驱式风力发电系统 中图分类号：ＴＭ７１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１０）１０—０００１—０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｏｗ・Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ０ｆ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｕｐｅｒ－Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＧＵＯ Ｘｕｅ—ｙｉｎｇ ，ＪＩＮ Ｘｉａｏ—ｌｉｎ （１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ；２ Ｗｕｘｉ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｕｘｉ ２１４０６２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｅｗ ｇｒｉｄ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｒｅｑｕｉｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅｎ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｕｅ ｔｏ ｅｎｅｒｇｙ ｕｎｍａｔｃｈｉｎｇ，ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｏｕｌｄ ｒｉｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ，ｔｏ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｔ ｇｒｉｄ ｓｉｄｅ ｔｏ ｒｅｃｏｖｅｒ ｔｏ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｌｏｗｌｙ ａｆｔｅｒ ｇｒｉｄ ｆａｕｌｔ ｒｅｍｏｖｅｄ．Ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｓｕｐｅｒ— ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｎｉｔ ａｄｄｅｄ ａｔ ＤＣ ｓｉｄｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅｎ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｉｎｇ ｍａｄｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｓｕｐｅｒ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｎｉｔ ｃａｎ ｅｆｆｅｃ— ｔｉｖｅｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｒｏｕｇｈ ｈｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｒａｉｓｉｎｇ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ・ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｌｏｗ・－ｖｏｌａｇｅ ｔｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ；ｄｉｒｅｃｔ－－ｒｉｖｅｎ ｄｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ０引言 在过去的１０年中，全世界的风力发电产业以 年均２８％的速度快速增长，成为发展最快的可再生 能源…。随着风电机组安装容量的不断上升，风电 系统在电网故障情况下的运行变得尤为重要，电网 导则要求风电机组在电网电压瞬间跌落一定范围 内不脱网运行 ，即要求风电机组具备低电压穿越 （Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ，ｌＪＶＲＴ）能力。目前对 双馈式异步风力发电系统的低电压穿越能力。。 研 器与电网相连，发电机和电网不存在直接耦合，电 网电压的瞬间降落导致的主要问题是直流母线电压 上升，当变流器直流侧电压在一定范围波动时，电 机侧变流器一般都能保持可控性，在电网电压跌落 期间，电机仍可以保持较好的电磁控制 。所以直 驱式永磁同步风电系统的ＬＶＲＴ实现相对双馈式异 步风力发电系统而言较为容易 。直驱式永磁同步 风电系统在电压跌落期间，可通过对系统控制方法 的改进在一定程度上提高ＬｖＲＴ能力，但是提高能力 有限，对于较长时间的深度故障，需要增加硬件电 路以提高ＬＶＲＴ能力ｕ…，如在直流侧增加卸荷电路 或储能电路。 究较多，对于双馈式系统电网发生故障的过渡过程 中，电机电磁转矩会出现较大的波动，对风机齿轮 箱等机械部件构成冲击，影响风机的运行和寿命。 本文在直流侧增加了超级电容器储能电路，在 直驱式永磁同步风电系统定子经全功率背靠背变流 电网电压跌落期间，由于变流器的热容量有限，必 须对输出电流进行限制，从而导致输出功率减少， 作者简介：郭学英（１９８６～），女，硕士研究生，研究方向为风力发电变流及并网技术。 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１０） 而发电机的输出功率瞬时不变，通过控制储能电路 将电网未吸收功率存储到超级电容器中，保证功率 的匹配，并限制直流母线电压的上升，且在故障消 失后系统可快速恢复至正常运行，增强了系统的低 电压穿越能力。 １ 低电压穿越要求及穿越方法 ２００９年２月颁布的《国家电网公司风电场接入 电网技术规定（修订版）》ｕ¨对国内风电场提出了低 电压穿越的要求，如图ｌ所示。仅当电网电压在时 间或数值上处于图中阴影部分时，场内风电机组才 允许从电网切出；处于非阴影部分时，风电机组必 须保证并网运行，等待电网恢复。如图ｌ所示，当 电网电压跌落到额定电压的２０％时，风电场应保持 并网６２５ ｍｓ。 图１风电场低电压穿越要求 直驱式永磁同步风电系统在电压跌落期间的主 要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。若不 增加额外硬件电路，可以在设计变流器时，选择较 高耐压和过流值的电力电子器件，并提高直流电容 的额定电压，以储存多余的能量，但是在长时间和 严重故障下，功率不匹配严重时，有可能超出器件 容量而损坏器件揖 。也可以通过改进发电机侧控 制策略减小风电场发出功率来实现功率平衡，如可 通过控制电机转速上升来储存部分风机能量，有效 减小发电机的输出功率，若功率不匹配程度严重， 可控制风机桨距角从根本上减小风机输入功率，但 以上两种方法都降低了风电场风能利用效率。若要 保持发电机侧控制方法不变，可通过在直流侧增加 硬件耗能或储能电路来消耗或存储多余的功率。其 中在直流侧增加卸荷电路是一种常用的方法，当直 流侧电压超过设定的上限时，投入卸荷电阻，消耗 多余的能量限制直流侧电压，当直流侧电压低于设 一，）一 基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究 定的下限电压时，再切出卸荷电路，该方法虽可以 达到功率匹配、抑制直流侧电压过高的功能，但是 仅以直流侧电压作为判断条件，只有当直流侧电压 高于一定值时卸荷电路才工作，始终会造成直流侧 电压有一定的波动，这将影响直流侧电容的使用寿 命 …，且同样存在降低风电场风能利用效率的问题。 直流侧增加储能电路，当电网电压瞬降导致功 率无法送出时，储能单元不仅可吸收多余功率，并 有助于故障期间保持直流电压，且有利于随后故障 系统的恢复。超级电容器是介于传统物理电容器和 电池之间的一种优秀的储能元件，它所存储的能量 比传统物理电容器大一个数量级以上，同时保持了 传统物理电容器释放能量速度快的特点ｕ 。较电池 储能，超级电容器存储释放速度更快，循环寿命更 长，不需要经常的充放电维护，且对环境无污染。 ２ 带储能单元的直驱式风力发电系统仿真模 型建立 带储能单元的直驱式风力发电系统结构如图２ 所示，系统包括风机、永磁同步发电机、背靠背变 流器、无穷大电网以及储能单元。 图２带储能单元的直驱式风电系统结构 风机模型¨副依照公式（１）建立，式中 为风机 转矩；ｐ为空气密度；，为风机转子半径； 为桨 距角；叶尖速比 ＝ ｒ／ｖ， 为风机转速， 为风 速； 为与桨距角ＪＢ和叶尖速比 有关的风能利用 系数； ｉ为最佳叶尖速比。 ＝吉ｐｎｒ。 ／ ＝Ｏ＿２２（１１６０．４ 一５）ｅｘｐ（－１２．５）（１） ＾ｉ＾ｉ：！一 ｉ ２＋０．Ｏ８ 。＋ｌ 变流器模块采用Ｍａｔｌａｂ中自带模块，主要设计 摹于超级电容器的砜电系统低电压穿越特性研究 其控制模块。控制电机侧变流器来调节发电机输出 的功率以实现最佳风能跟踪。在风速变化时及时调 整风力机转速，使风力机始终保持最佳叶尖速比运 行，从而可保证系统运行于最佳功率曲线上，实现 最佳风能跟踪 。因此，结合发电机的最佳风能 跟踪控制原理，电机侧变流器控制外环可采用转 速外环，内环采用电流内环 ，而在电网故障时， 由于中间直流环节的隔离作用，且有储能单元吸收 多余功率，永磁同步电机及电机侧变流器运行将相 互不受影响，电机侧变流器控制方法也不变，仍保 持最大风能捕获与输出。 网侧变流器采用电压外环和电流内环的控制方 式 ，通过调节网侧的幽轴电流，可控制直流侧 电压，实现网侧有功无功的解耦控制。网侧变流器 通常运行在单位功率因数状态，无功功率输出为零。 在风电场功率波动较大时，通过设定ｄ轴电流内环 给定值 的最大最小限值，并与储能单元相配合， 可抑制并网功率的波动。 风电场功率已超出设定 上限值时，超级电容器吸收多余功率；而当风电场 功率低于下限值时，超级电容器提供差额功率。从 而将风电场并入电网的功率波动限制在一定范围 内。当电网电压降落时，电流迅速增大，很可能超 出变流器限值，当达到最大限值时，电压外环饱和， 对直流侧电压的控制作用失效，此时直流侧电压的 调节由储能单元承担。 当系统正常运行时，直流侧电压正常，超级电 容器缓慢充放电维持其电压，当电网故障电压瞬 降，造成功率不平衡，网侧变流器外环对电压控制 失效后，通过超级电容器吸收多余功率，并实现直 流侧电压的控制。因直流侧电压平稳，当故障消除 后，系统可快速恢复至正常运行。 ３仿真结果分析 在Ｍａｔ ｌ ａｂ／Ｓ ｉ ＩｌｌＵ】ｊ ｎｋ仿真环境下建立了整个系 统的仿真电路。参考图ｌ中低电压穿越要求，电压 降落至额定电压的２０％时保持并网６２５ ｍｓ，测试了所 搭建系统的低电压穿越特性。 仿真系统电路参数： （１）风机参数：桨距角为０。，桨叶半径为３．５０９ ３ ｍ， 空气密度为１．２９３ ｋｇ／ｍ。，最佳叶尖速比和最大风能 利用系数分别为８．１和Ｏ．４８，风速为１０ｍ／ｓ时，风 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１０） 机功率为１２ ｋＷ。 （２）永磁同步发电机参数：极对数为８，定子电 感和电阻分别为８ ｍＨ和Ｏ．００２ Ｑ，转子永磁体磁链 为０．２ Ｗｂ。 （３）背靠背并网变流器参数：直流侧电容为５ｍＦ， 直流侧给定电压为６００ Ｖ，并网滤波电感为５ ｍＨ。 （４）超级电容器储能单元：超级电容器模块电 容为１６５ Ｆ，电压为９０ Ｖ。 控制系统参数：电机侧变流器控制模块中转速 外环控制器参数 ＝０．５、ｋ ：５０，电流内环控制参 数ｋ ：５０、ｋ ＝４０；电网侧变流器控制模块电压外 环参数ｋ ：６０、ｋ ＝１００，电流内环控制参数ｋｓ ＝３０、 ＝８０；储能单元电压外环控制参数ｋ ＝５、ｋ ＝５。 当电网电压跌落时，为了将功率送出，并网 电流必将增大，但由于变流器的热容量有限，必 须对输出电流进行限制。本文设置电流限值为额 定电流的１．５倍，仿真波形如图３所示。本仿真系统 在０．５ Ｓ时，电网电压跌落至额定电压的２０％，见图 ３ ａ）。若要保持输出功率不变，电流将增加到原来 的５倍，但由于器件热容量的限制，电流最大为正 常工作时１．５倍，这将导致输出功率大大减小，见 图３ ｄ）。而风电场输入功率并未变化，造成功率不 匹配，多余电能储存在直流侧电容里，引起直流侧 电压持续上升，见图３ ｅ）。并网６２５ ｍｓ后电网电压 恢复，由于电流不能突变，且堆积在电容上的能量 开始释放，使得输出功率出现较大超调，直流侧电 压和并网电流都恢复得非常缓慢，可见该低电压穿 越能力明显较差。但仿真中发现电机侧运行并未受 到影响，输出功率基本保持不变，可见网侧的短时 电压跌落对电机侧影响不大，体现了直驱式风力发 电系统直流侧良好的隔离作用，相对电机定子直接 并网的双馈式风力发电系统具有明显的优势。 ２ ●ｌ ｅ ０ １ ２ ２ －ｌ ｅ ０ １ ２ ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ １．８ ｔ／ｓ ａ）电网侧电压和电流波形 一３ 电工电．＿【（２０１０ Ｎｏ．１０） － 一 ・－ ｔｆ Ｓ ｂ）电压电流相位关系 ０・５ 。０ 盖０．５ 一 １．０ —１．５ ２．Ｏ ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ １．２ １＿４ １．６ １．８ ｔ／ｓ Ｃ）电网侧面轴电流 Ｏ ０ ０】 ｌ １ ｄ）并网有功和无功波形 ３・Ｏ ●２．５ 主２．０ １．５ Ｓ １．Ｏ Ｏ．５ ｅ）直流侧电压 １ 一 主 ０ ｔｆ ｓ ｆ）风机输出功率 图３无储能电路时低电压穿越波形 增加超级电容器储能单元后，仿真波形如图４ 所示。在电压跌落期间，电流同样增大，输出功率 减小，但多余电能并未造成直流侧电压的升高，而 是储存进超级电容器中，由图４ ｅ）可看出在故障期 间超级电容器吸收多余能量电压上升。而直流侧电 压基本保持不变，见图４ ｃ），且故障消失后，系统 恢复迅速，电网电流和功率恢复到正常运行状态的 时间短。 基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究 ｏ．５ ● ｏ 主ｏ．５ 一 １．ｏ １．５ ２．ｏ ｏ ｏ．２ ｏ．４ ｏ．６ ｏ．８ １．Ｏ １．２ １．４ １．６ １．８ ｔ／ｓ ａ）电网侧由轴电流 Ｏ ｊ ｏ ｌ ｌ ｂ）并网有功和无功波形 １・３ 。１．２ １．１ １．０ Ｏ．９ ０ Ｏ．２ Ｏ．４ ０．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ １．８ ｔ／ｓ ｃ）直流侧电压 ２ １ ０ ・ １ ２ １． Ｏ５ １．１０ １＿ｌ５ １．２Ｏ ｔ／ｓ ｄ）电网侧电压和电流波形 ＞９０．３ ９０．０ ８９．９ ｔ／ｓ ｅ）超级电容器电压 波形 图４增加超级电容器储能后低电压穿越波形 ４结语 随着风电装机容量不断增加，所占比例越来越 大，新的风电并网标准要求风电机组具有低电压穿 越的能力。本文对直驱式风力发电系统的低电压穿 越能力进行了研究，仿真表明直驱式风力发电系统 的低电压穿越能力较强，电机侧运行状况几乎不受 基于超级电容器的风电系统低电压穿越特性研究 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１０） 电网电压跌落的影响，大大降低了系统低电压穿越 控制的复杂性。对于由电压跌落造成的网侧变流器 过流以及直流侧过电压问题，在直流侧增加超级电 容器储能单元可以很好的解决。电压跌落期间，储 能单元的控制可以保持直流侧电压不变，并吸收多 余的功率，提高了风能的利用效率，在故障消失后， 由于直流侧电压平稳且无多余堆积能量需要释放， 系统迅速恢复正常运行状态。可见在直流侧添加储 ［６］关宏亮，赵海翔，迟永宁，等．电力系统对并网 风电机组承受低电压能力的要求［Ｊ］．电网技术， ２００７，３１（７）：７８—８２． ［７］操瑞发，朱武，涂祥存，等．双馈式风力发电 系统低电压穿越技术分析［Ｊ］．电网技术，２００９， ３３（９）：７２—７７． ［８］张兴，张龙云，杨淑英，等．风力发电低电压穿 越技术综述［Ｊ］．电力系统及其自动化学报，２００８， ２Ｏ（２）：１—８． 能单元可明显增强了直驱式风电系统的低电压穿越 能力。 ［９］Ａｂｂｅｙ Ｃ，Ｗｅｉ Ｌ，Ｏｗａｔｔａ Ｌ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｌｏｗ ｖｏｌｒａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｅＩｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ＷＴＧｓ ｌＣＪ／／ 参考文献 ［１］贺益康，周鹏．变速恒频双馈异步风力发电系统 低电压穿越技术综述［Ｊ］．电工技术学报，２００９， ２４（９）：１４０—１４６． ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ２００６． ［１Ｏ］李建林，许洪华，胡书举，等．风力发电系统低电 压运行技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８． ［２］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穿越特性研究［Ｊ］．电力系统自 动化，２００８，３２（１９）：９２—９５． 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ｓｔａｂｉ１ｉｔｙ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ，２００５． 收稿日期：２０１０—０６ ２５ ＿ ＿ ．， ，０ 欢迎订阅２０１ １年 电工电气 杂志 国内邮发代号：２８－１８４ 国外发行代号：４９０５ＢＭ 订阅 电工电气 杂志请到当地邮局 每期５元 每年ｌ２期 全年６０元（ＲＭＢ） 联系电话：０５ １２—６８０９９７３３ ｄｇｄｑ—ｇｇｂ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ 如错过订期请与编辑部联系 Ｅ‘ｍａｉｌ：ｊｓｄｑ＠ｅｅｔｉ．ｃｏｍ．ｃｎ ５一