利用BESS提高双馈风电机组低电压穿越能力

口人才培养口DOI103969JISSN16711041201105037利用BESS提高双馈风电机组低电压穿越能力潘晟东华工程科技股份有限公司，合肥230024摘要该文详细介绍了双馈风电机组基于电流解耦的转子侧和网侧变流器矢量控制方案以及转子侧变流器的CROWBAR滞环控制保护方法在分析电池特性的基础上建立了电池储能系统BESS的数学模型及其串级控制策略；结合算例仿真表明在双馈风电机组的直流侧安装BESS装置可以有效维持电网故障期间直流侧母线电压的稳定。从而提高风电机组的低电压穿越能力。关键词双馈风电机组；低电压穿越；BESS；变流器；CROWBAR保护中图分类号TM61文献标志码BO引言随着能源危机和环境污染等问题日益突出，大规模风力发电近些年来得到了快速发展。据统计，截止2009年底中国大陆地区新增风电装机容量约138万兆瓦，总装机容量已经跃居世界第二，仅次于美国。然而由于风能具有随机性、间歇性和不可调度性等缺点，风电机组输出功率具有很大波动性，同时发电机组大多采用感应电机导致其并网发电时需从系统中吸收大量无功功率，此外大型风电场一般远离负荷中心，风电渗透功率的波动将对电网的稳定性带来不利影响。这些风电并网技术难题直接导致相当数量的风机不能并网发电，2009年中国不能并网发电的风电装机容量占总装机的38且难以并网的风机仍在逐年增加，因此必须采取必要措施来提高风电机组的并网适应能力。目前双馈感应风电机组以其兼具功率控制灵活、成本较低等优点在新装风机中占很大比例，但是由于背靠背变流器承受暂态过电流的能力过低，当电网故障时通常会采取保护22HADAMARD方差对于基于铯的没有线性漂移影响的AFS而言，阿伦方差可以很好地起作用。阿伦方差也常常用于表征石英晶体振荡器的稳定度。而基于铷的AFS在随机噪声之上有很大的线性漂移，这降低了阿伦方差的保真度，使其并不能提供稳度的精确测量。可以通过一个单独的处理过程消除线性漂移，但是已经定义了另一种测量稳定度的方法，它克服了这种阿伦方差固有的局限性。这种测量称为HADAMARD方差，它消除了任何线性漂移，故而并不受现行漂移影响。因此，对于AFS而言，HADAMARD方差是一个很好的稳定度测量方法。HADAMARD方差HF定义如下1HOREEY一2YY7厶如同在阿伦方差的式子中一样，E是期望值算子。理论上，E是无穷多个元素的和，但是实际上这个和被限制为一个大的有限数。注意，阿伦方差是一种双采样方差，每个点需要两个时刻的采样值；而HADAMARD方差则是一种三采样方差，每个点需要三个时刻的采样值。正因为如此，HADAMA方差需要更多的计算。GPS主控站采用HADAMARD方差及其变化来衡量振荡器的稳定度。考虑到如果星座中铷频标将会占主导地位，这是一种合适的方法。3结束语由于GPS授时功能在当今世界各领域的广泛应用，GPS96EICVO1182011NO5频标及其他晶体振荡器的稳定度问题越发受到人们的关注。本文首先对频率标准的稳定度进行了说明，并着重介绍了两种稳定度的测量方法。两种测量方法对频率源稳定度的评估具有一定参考作用。口参考文献1黄丁发，熊永良，袁林果全球定位系统GPS理论与实践M成都西南交通大学出版社，200633612杨俊，武奇生GPS基本原理及MATLAB仿真M西安西安电子科技大学出版社，2006791013张守信，等GPS技术与应用M北京国防工业出版社，19991211274刘基余GPS卫星导航定位原理与应用M北京科学出版社，200349855PROAKISJG现在通讯系统M刘树棠，译北京电子工业出版社，20021671736IEEESTANDARDDEFINITIONOFPHYSICALQUANTITIESFORFUNDAMENTALFREQUENCYANDTIMEMETROLOGYRANDOMINSTABILITIESIEEESTD11391999，IEEESTANDARDSCOORDINATINGCOMMITTEE27ONTIMEANDFREQUENCY，APPROVEDMARCH26，19992012117ELLIOTTDKAPLAN，CHRISTOPHERJHEGARTYGPS原理与应用M电子工业出版社，2007L14126作者简介解晶1983一，男，工学学士，助理工程师，研究方向无线电导航与卫星定位研究；刘畅1983，男，工学学士，助理工程师，研究方向无线电导航与卫星定位研究。收稿日期2011一D4O5欢迎光临本刊网站HTTPWWWEICCOMCN仪器仪表用户措施如CROWBAR电路来增强其故障穿越能力25，在此期间双馈风电机组运行于异步发电机模式需从并网系统中吸收大量无功，将加剧电网电压失稳的可能。随着大规模风电接入电网，许多国家和地区都对风电接人做了严格规定，图1为中国国家电网公司关于风电场低电压穿越的技术要求，要求只有当电网电压低于规定曲线之后才允许风机脱网。如果在变速恒频风电机组的直流侧增设储能装置，既能结合风轮机和发电机转子控制在系统正常运行时平滑风电输出功率，改善系统频率波动，又能在电网故障时增强风电机组对并网系统的有功支撑能力，同时迅速平抑直流侧母线电压使机组尽快恢复控制能力，从而提高其低电压穿越能力。电网故障日I起电压跌落，F要求风电机组不断并网运T风电机组可以从电网切M006251234时间S图1国家电网公司关于风电场低电压穿越要求的规定本文详细阐述了双馈风力发电系统的控制与保护策略，包括基于电流解耦的转子侧和网侧变流器矢量控制、以及应对电网故障的转子侧变流器CROWBAR保护方案；建立了电池储能系统BESS的数学模型及其控制策略，然后通过算例仿真研究BESS装置对双馈风电机组的低电压穿越能力的影响。L双馈风力发电系统控制与保护策略双馈风力发电系统的基本原理是在感应发电机的转子回路中加入一个可控电压源，亦即将转子绕组通过背靠背变流器接人电网，而定子直接与电网连接，通过不断调节转子电压的幅值和相角从而实现对风机转速和功率因数的控制。图2为转子侧和直流侧分别装设了主动式CROWBAR保护电路和BESS装置的典型双馈风力发电系统原理图。图2装设CROWBAR和BESS的典型双馈型风电并网原理图11转子侧变流器控制及保护在同步旋转坐标系Q轴超前D轴90。下，忽略定子侧的电磁暂态过程和定子电阻并将定子磁链矢量定义在D轴上，按照电动机惯例可分别列出双馈风电机组定子侧输出的有功和无功功率、转子电压与转子电流之间的关系表达式欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息口人才培养口1一XDLDRS一未。R，一X2MDLDRS一未2RRR式中，瓦，XRR，其中和是定子电阻和电抗；R和是转子电阻和电抗；是励磁电抗；S是转子滑差下标S表示定子侧、R表示转子侧；和，分别是转子回路中可控电源的电压值的DQ分量；、和、0分别是定子和转子回路中电流值DQ分量。图3转子侧变流器矢量控制框图由式1可知在基于定子磁链定向的DQ同步旋转坐标系下通过分别调节转子电流的Q轴分量L和D轴分量就可以实现双馈风电机组定子侧输出有功功率尸和无功功率Q之间的解耦控制。而由式2可知转子侧的矢量控制电压未完全解耦，故若用转子电压的D轴分量和Q轴分量分别来控制转子电流的无功分量和有功分量，还需要增加相应的电压补偿环节，分别增加前馈输入SL和SSXIIL,，典型的转子侧变流器矢量控制如图3所示。当电网发生电压跌落时转子绕组中出现的暂态过电流会损坏电力电子开关器件，常见的保护措施是在转子侧装设CROWBAR保护电路如图4所示。当转子三相电流的最大值超过预先设定的阀值I时CROWBAR投入运行，双馈风电机组作为异步感应电机运行，从电网中吸收无功功率；而当其衰减至低于安全值I，切除保护装置，双馈风电机组恢复控制能力。图4典型的CROWBAR滞环控制12网侧变流器控制网侧变流器的控制应该能解决风电机组正常运行时的功日CVO1182011NO597一率双向流动问题，假定其与电网之间的联络变压器电阻和电抗分别为R和L，则在基于电网电压定向的DQ同步旋转坐标性中越卜一LYDED其中，、E和E分别为前置电压V0、定子侧电压源变换器的D轴和Q分量，I和I分别为变压器二次侧电流的D轴和Q轴分量。图5为典型的网侧变流器双闭环解耦控制系统，网侧电压和电流经过坐标变换，可使两个轴上的电流分量I、I分别控制网侧的有功功率和无功功率，亦即控制I的正负实现有功功率的双向流动，控制I来控制无功功率。圃扯PWMR0回图5网侧变流器解耦控制框图2BESS装置模型及其控制策略21BESS装置建模电池以电化学形式存储能量，是应用最广泛的一种能量储能装置，其特性可以表达为VOI“BI6一KAEXP一BIIBDT4QJIBDFJS。C1。1一IB5式中是电池的内部电阻；VO、K和A分别为开路电势、极化电压和指数电压，单位；Q和B分别指电池容量和指数容量，单位AH。当I值为正数时电池放电，而当I为负值时电池处于充电状态。充电状态值SOC为100时表示电池完全充满电，而对于空电池而言该值为0。22BESS装置控制在双馈风电机组的直流侧增设BESS装置的主要目的是维持直流母线电压稳定，假设忽略变流器的功率损耗和谐波，可得到直流侧电压和电池电流成一阶线性关系，即一I6S一CS6图6为一种应用于BESS装置侧变流器的串级控制策略，外环是直流电压控制，用来维持直流侧母线电压在系统故障时保持不变，其输出作为内环电流控制的参考电流，从而使电池电流实时跟踪外环电压控制所产生的参考值。圈6BESS装置侧变流器控制98ELCVO1182011NO5仪器仪表用户3仿真研究本文运用MATLABSIMULINK仿真工具进行研究，验证当电网故障时采用串级控制策略的BESS装置是否能够有效结合滞环控制的主动式CROWBAR保护电路，从而提高双馈风电机组的低电压穿越能力，算例系统如图7所示，其中风电场采用6台额定容量为15MW的双馈风电机组，经过两条架空线路和一台升压变压器接入电网，风电机组运行在恒功率因数控制方式，功率因数设定为1。图7系统仿真接线图假定在05S时刻风电并网公共节点处发生了持续时间为500MS的三相接地短路故障，电网电压跌落至正常值的20以下，图8显示了装设CROWBAR保护和BESS装置后的双馈风电机组在电网故障情况下的动态响应情况。L、【L1。【、YINKI1I151一L般1LF1VL2F1F1FFJIL伽VL00C图8电网故障情况下双馈风电机组的动态响应情况仿真结果表明当电网电压严重跌落如图8A所示时，由于双馈风电机组转子中出现暂态过电流CROWBAR保护电路投入运行，大量的转子电流注人直流侧电容，无论其直流侧是否附加BESS装置直流侧母线电压都会迅速上升，如图8D所示，但是直流侧装设BESS装置后直流侧电容电压恢复至正常值的速度明显要快于仅装设主动式CROWBAR保护装置。这是因为当电网出现故障时BESS装置可以吸收直流侧电容中多余的能量，从而使直流侧母线电压波动迅速衰减，由图8B和图8C可知在05S至053S时间段内电池电流为负值电池处于充电状态，有效地控制电容电压低于安全阀值1400V，从而配合主动式CROWBAR保护电路使双馈风电机组在电网故障清除之后迅速恢复控制能力，改善其低电压穿越能力。4结论随着风电并网导则日益严格，风电场必须具备一定的无功电压调节能力、有功控制能力和低电压穿越能力等，这也就使得储能装置在风电并网系统中具有广阔的应用前景。欢迎光临本刊网站HTTPWWWEICCOMCN仪器仪表用户本文详细介绍了双馈风电机组的控制与保护策略，包括转子侧变流器基于定子磁链定向的矢量控制方法及其CROWBAR滞环保护策略和基于电网电压定向的网侧变流器双闭环解耦控制方案；在分析了电池的特性的基础上建立的BESS的数学模型和串级控制策略，最后通过仿真研究表明当电网发生故障时若在双馈风电机组的直流侧加装BESS装置，可以有效地控制直流侧母线电压在安全范围内，从而配合CROWBAR保护提高风电机组的低电压穿越能力。口参考文献1雷亚洲与风电并网相关的研究课题J电力系统自动化，2003，27884892IEDICH，HWREDE，CFELTESDYNAMICBEHAVIOROFDFIGBASEDWINDTURBINESDURINGGRIDFAULTSPROCEEDINGOFCONFERENCEONPOWERCONVERSION，PCC07，APRIL25，2007，NAGOYAL195120O3SARAHFOSTER，LIEXU，BRENDANFOXBEHAVIOURANDPROTECTIONOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORSDURINGNETWORKFAULTSPROCEEDINGOFPOWERENERGYSOCIETYGENERALMEETINGPES095275555，JULY2630，2009，NAPLES，ITALY184姚骏，廖勇基于CROWBAR保护控制的交流励磁风电系统运行分析J电力系统自动化，2007，312379835蒋雪冬，赵舫应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机CROWBAR控制策略J电网技术，2008，321284896贾俊川，刘晋，等集成嵌入式储能的双馈风力发电系统功率控制J电力系统自动化，2010，341580847侯世英，房勇，等应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力J电机与控制学报，2010，14526318李强，袁越，等储能技术在风电并网中的应用研究进展J河海大学学报自然科学版，2010，3811151229JZHENHUA，YXUNWEIMODELINGANDCONTROLOFANINTEGRATEDWINDPOWERGENERATIONANDENERGYSTORAGESYSTEMCIEEEPOWERENERGYSOCIETYGENERALMEETING，2009作者简介潘晟1979一，男，硕士，工程师，主要研究新能源发电技术等。收稿日期20110416上接第92页表1调试主要运行数据电机启动转矩10O16O力矩响应时间36MS电机转速同步误差0103上升时间2S电机负载不均衡误差O105过载能力250电机转速控制精度01O54主从切换采用主从控制方案，好处在于能够较容易地使四台驱动装置达到基本转矩均衡，当主控装置出现故障时，其他装置如何继续运行保证生产过程顺利进行，这就需要PLC和传动装置配合完成自动主从切换，利用变频器的总线通讯可以实现自动主从切换功能。系统正常运行时，PLC通过变频器端口与倾动变频器正常通讯，当某一套从动驱动装置出现故障时，变频器向PLC发出故障信号，自动停止工作，其他三台驱动装置继续正常工作；当主控变频器出现故障时，变频器停止工作并发出故障信号，PLC接到故障信号后启动故障处理子程序，通过10端口设置一台从动变频器作为主控装置，同时通过DEVICENET总线设置和改变变频器内部参数。由于安川变频器与ABPLC属于不同厂家设备，无法直接进行通讯，但均具有DEVICENET总线通讯功能，因此，只需在CONTROLLOGIX机架上配置DEVICENET模块J，为G7变频器配置的用于DEVICENET网络通讯的SIP接口卡及相应的配置软件，并用电缆与主站连接，以此方法即可实现主从自动切换。变频器用于主从切换的主要参数见表2。表2主从切换变频器主要参数速度力矩切换信号端子S8速度力矩切换定时D506选择力矩控制D5一O1切换速度力矩切换H106选择速度限制D503力矩指令输