（国华（栖霞）风力发电有限公司 山东栖霞 265300）
摘要：近年来，风电技术得到了飞速发展，风电场的装机容量也逐年增高，风力发电对电网影响已经不可忽视。电网对风电机组的故障穿越能力的要求也越来越严格，其中，主要有对风电机组低电压穿越能力的要求。
关键词：直驱永磁；同步风机；低电压；穿越控制
一、永磁风机的基本结构
永磁直驱风力发电系统采用的是永磁同步发电机，该系统主要包括：①永磁同步发电机：由于定子采用永磁材料，所以不需要加装定子绕组，其结构会大大简化，其转化效率相较于其他类型电机要略胜一筹；②风力机：将吹过风轮的风的动能转换为机械能，在此期间会有一定的能量损耗，然后再通过连接装置带动发电机转子转动，然后发电机将转子的动能转化为电能，在整个由风力到电力转化的过程中，整个机组能量的转化率主要取决于风力机的能量转化效率，可以说是风力机的核心部件；③变流器：对于并网的风电系统来说，发电机与电网之间的变流器是十分重要的部分，也是控制系统的直接控制对象。变流器将发电机输出的交流电转变为直流电，再变换为符合电网标准的交流电，可以说是一个中间环节，但这个环节所处的位置至关重要，因为变流器要保证在并网运行时，其输出电压要与电网一致，包括幅值和频率，否则将会对电网造成大的冲击，并且在电网有无功需求时，其还需要转换控制策略，以给电网提供足够的无功支撑，帮助电网电压恢复。
二、超级电容器工作原理
超级电容器的原理是采用了电化学双电层原理，该电容结构和传统电容结构不同，采用的双层隔离板，电荷聚集在这双层隔离板间将电能储存起来，生产工艺比传统电容稍微复杂一些，但生产成本相差不多。超级电容分类简单，可以根据其极板的类型进行划分，由合金材料构成的电极称作合金超级电容，还有用金属氧化物构成的电极是金属氧化物超级电容，目前，市场上更常见的是金属氧化型的。还有一种电极是由碳材料构成的，碳材料的优点在于耐腐蚀，长时间浸泡在化学液里不发生化学反应，并可以很好的容纳电荷，并在正负碳极间形成强电场，将电解液进行电解，起到存储电能的目的。超级电容的容量取决于电解液电离出的离子数量，就电离液相等的情况下，离子浓度越高，储存的电能越大。
三、低电压穿越的控制策略
3.1机侧变流器控制
发电机侧变流器控制方法在外环控制与传统方法不同，由定子电压和直流母线电压偏差产生发电机定子电流参考值i*sd和i*sq，isq控制发电机电磁功率与电网变流器输出有功功率始终相同，将直流侧功率的不平衡转变为发电机的机械功率和电磁功率的不平衡，并将不平衡能量存储在转子上转换为机械功率，从而实现低电压穿越。发电机侧变流器内环控制框图如图1所示，发电机侧变流器外环控制框图如图2所示。
3.2网侧变流器控制
网侧变流器控制方法中，外环控制与传统控制的方法不同。电网侧逆变器通过对电网电压的判断，可实现网侧输出有功和无功功率的协调控制。当电网电压正常时，运行最大功率跟踪模式；当电网电压跌落时，运行无功功率优先控制模式。同时，为了避免有功电流突变引发直流侧电容充放电电流突变，在电网侧逆变器输出的有功电流控制环节增加了限流控制，有效抑制了因电网侧逆变器工作模式切换而引起的直流侧电压的振动。
当因电网短路故障而引起电压跌落时，风电场在低电压穿越过程中向电网注入的无功电流为：
式中：Ug为风电场并网点电压标幺值；IN为风电场额定电流。
由式可计算无功优先控制时的无功电流。电网侧变流器外环控制框图如图3所示。
3.3低电压穿越控制流程
当电网侧发生故障时，电网侧电压跌落，参考网侧电压对机侧有功功率重新计算，减小有功参考值输出，使机侧输入功率与网侧输出功率动态平衡。由于机械功率无法突变，发电机转速会继续上升。如果轻度跌落，发电机转速未超过额定转速，系统成功实现低电压穿越；如果转速超出最大转速ωmax，则切除变桨停止转速上升，投入直流侧储能系统，消耗不平衡有功。如果将储能系统与变桨减出力协调控制，则能更好地实现低电压穿越。
四、系统仿真
为了验证所提出的控制策略效果，搭建了电系统仿真模型，主要参数如表1所示。电网轻度跌落各变量波形如图4所示。
由仿真结果图4可以看出，电网电压跌落20%时，电机转速上升，可储存多余的有功功率，直流侧电容电压升高，而电机转速在故障时间内持续上升，并超出系统安全值。在网侧故障切除后，电机转速逐渐下降至正常运行时的速度，系统实现低电压穿越。电网深度跌落变量波形如图5所示。
由图5可以看出，当电网电压深度跌落80%时，跌落的瞬间电机转子转速呈直线迅速上升。在故障时间内，电机转速达到系统运行安全值，转速停止上升。此时，直流侧电压迅速攀高，投入直流侧储能装置，吸收剩余的电功率。直流侧电压回降，电机转速也随时间的推移降低。故障时间内能保持不脱网运行，最终实现了低电压穿越。
结语
本文对电网电压跌落时直驱永磁发电系统的低电压穿越过程进行了研究，针对电机转子储能这一特点提出了一种新的控制策略，故障期间利用转子转速提升了惯性动量和直流侧储能系统，用以储存系统剩余功率，减小直流系统输出的不平衡功率，阻止直流侧电压攀高。仿真并验证了PMSG在此控制策略下的低电压穿越能力，具有一定的实用性。
参考文献：
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[2]李军军，吴政球，谭勋琼，等.风力发电及其技术发展综述[J].电力建设，2011（8）：69-77.
作者简介
王贵恺（1990.03.30），性别：男；籍贯：烟台龙口；民族：汉；学历：本科；职称：助理工程师；职务：风电设备运维人员；研究方向：风电运维
论文作者:王贵恺
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：电网论文; 变流器论文; 电压论文; 永磁论文; 转速论文; 发电机论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第4期论文;