高电压穿越PMSG为基础的风力发电系统使用超级电容器的控制

抽象

关于基于PMSG-风力涡轮机发电系统，本文提出了一种并联连接背面到后端转换器的DC链路，以提高通过它的性能高电压穿越的超级电容器能量存储单元（SCESU）。的操作和控制用于电网侧变流器和SCESU的分析中进行。基于实时数字仿真器（RTDS），模型和硬件在环仿真与SCESU基于PMSG风力涡轮机（HIL）平台开发，仿真结果表明，SCESU吸收不平衡能量，电网侧转换器，吸音减震期间电压涌浪的周期感性无功功率和验证通过控制策略的高电压穿越的正确性和可行性。

1.简介

在过去，风力涡轮机发电系统（风力发电机）的电网电压骤降或膨胀过程中被允许断开从电网。然而，在许多国家的电力系统风电普及率高，电网规范越来越严格，需要在故障穿越风力发电机组的能力，包括（HVRT）高电压穿越和低电压穿越（LVRT）型材风力发电机，其必须保持连接状态，并提供所期望的无功功率以支持公用电网[1]。后者已经收到显著的关注，并在许多文献[探索2-7，而前者是一个新兴的问题，现在正受到越来越多的关注。

风力发电机的HVRT能力的要求将是在许多电网规范更加严格，当电力系统风电的普及率越来越高。例如，澳大利亚新国家电力规则要求风电机组必须保持连续不间断操作暂时过电压指定为1.1的幅度和持续时间〜1.15pu为1200秒，1.15〜1.2pu 20秒，1.2〜1.25pu 2秒，1.25〜1.3pu为0.2秒和1.3〜1.4pu为0.02秒。的用于在公共耦合点的每个增加1％的正常电流的6％的额外感性无功电流（PCC）以上1.1pu电压还需要[8]。

风力发电机组的运行时间（见表1）仅在风电场无功功率配置和中国的国家电网公司的电压控制技术规范规定，但电压骤升期间不提供无功电流和电网电压的比率[9]。

现有的WTGS HVRT技术可分为两类:采用改进的控制方案和采用附加辅助装置。在[10]，电网侧转换器（GRSC）的HVRT通过增加DC链路电压和基于自适应调整算法的无功电流，但直流电压和/或GRSC的当前HVRT期间将超过额定的值来实现。在[11]，混合电流控制方案在转子和基于风力发电机组双馈感应发电机（DFIG）的电网侧转换器都实现，以提高其高电压穿越能力，但提供无功功率到电网没有讨论。

在[12]，DC链路电压和对于3级GRSC舰载过调制策略的自适应控制策略HVRT期间通过和DC斩波器被用于HVRT期间消耗多余的能量。在[13，14]中，除了使用DC制动电阻GRSC的被控制以提供电感性无功功率到电网。在所产生的功率[12-14因为不平衡能量由DC断路电阻消耗，而不是送入电网]减小。在[15]中，连接到PCC总线STATCOM被施加到吸收无功功率从电网以提高风力发电机组的HVRT。然而，这种方法只适用于弱电网中其可以由STATCOM的无功功率的吸收被减少在PCC处的电压。在[16]，在连接与所述PCC总线平行的超导储能（SMES）单元，提出了提高基于DFIG-风力发电机组的HVRT性能。在[17]、转子铁条电路和直流斩波器分别用于保护转子侧变换器在HVRT过程中免受过流和限制直流电压。在[18]，放置在PCC总线和电网并在PCC总线连接的静态分流补偿器之间串联连接的动态电压恢复器进行了研究，以确保基于DFIG-风力发电机组以符合新的HVRT电网规程要求。

本文选择了超级电容储能单元(SCESU)来提高基于永磁同步电动机的WTGS的HVRT能力，并提出了协调控制策略。这将表明，SCESU可以添加HVRT功能到WTGS中，以符合网格代码，即使它变得越来越严格。此外，SCESU不降低WTGS的发电量，控制策略简单。

本文安排如下。部分2提出了一种基于PMSG-风力发电机组与SCESU的原则，并讨论GRSC的欠电压骤升的调控机制。部分3介绍了GRSC和SCESU的改进控制策略。在部分4和五分别以RTDS和硬件在环(HiL)平台为平台进行了仿真，评估了HVRT控制的有效性6结论总结。

2. HVRT方案浅析

2.1。GRSC操作

与背靠背变换器的DC-link电容并联的基于pmsg的带SCESU的并网WTGS的块结构如图所示1。发电机侧转换器（GESC）和GRSC的，因为DC链路电容器的去耦效果是独立控制的。分别现场和面向电压控制（FOC和VOC）产生用于GESC切换信号，以实现最大功率点跟踪和GRSC实现交流输入的单位功率因数控制和电网正常条件下保持在DC链路电压的稳定性。当电网电压发生膨胀，最关键的条件是当PMSG产生额定功率。因此，假设FOC在GESC使用，并且注入到DC链路从GRSC有功功率为在本文额定值。

当VOC被用来控制GRSC，所述GRSC电压，电流和输出功率可以被表示为[2] 哪里和分别为GRSC输出的d轴电压和q轴电压。 ， ， ，和分别是d和q轴电网的电压和电流。是峰值相电流，并和分别为滤波器电感和电阻。

为了分析在GRSC电压骤升的影响，GRSC有功功率的小信号模型被给出为 其中小信号变量和分别为电网电压和电流的偏微分分量。

考虑到是恒定的收益率 方程（3）示出了当电网电压上升时， ，然后 。这意味着电压骤升期间会降低;即，会降低，因为VOC是GRSC控制使用。

通过忽略在使用GRSC SPWM的调制指数是 其中电压的基值是峰值相电压和为DC-link电压。

当在GRSC使用基于VOC的单位功率因数控制，是零，有吗 如可以从中可以看出（五）米会增加，因为电网电压增加。GRSC中的谐波电流含量随着的增加而增加米，然后GRSC的损失和温度也会增加，这可能会损坏GRSC。此外;什么时候增长甚至达到上限，GRSC将会降低其控制边际甚至失控。在整个高压过程中，直流链路电容持续过电压或GRSC过流也会破坏WTGS。

它可以从发现（4），有两种方式，以避免增加米;一个是增加 ，另一个是增加滞后电流从电网吸取感性无功功率。后者在本文中采用的虽然注入电网的有功功率有因为GRSC有限电流能力降低。SCESU采用以存储电压骤升，然后将其排出当电网返回到正常操作期间GESC和GRSC之间的多余的能量。

2.2。SCESU设计

所述SCESU由超级电容器（SC）和双向DC / DC转换器的，如图1。在HVRT过程中，SC负责充电和储存电能，该过程由作为Buck变换器运行的DC/DC变换器控制。当故障排除后，PMSG输出功率低于一定值(如0.8pu)时，SC放电至初始状态，准备下一次HVRT。在这种情况下，功率从SC流向DC-link, DC/DC转换器作为升压转换器工作。SC的工作电压范围根据可控的占空比范围和DC-link电压设定为0.3~1.0 kV。

该SC容量是基于两个典型的电压膨胀计算。

2.2.1。Voltage Swell to 1.2pu for 200 ms

在这种情况下，无功电流参考值为-0.78pu(由12）在第3.2，和all calculations in this paper are based on a per unit system), and the current limit of GRSC is 1 pu; therefore the active current of GRSC is The maximum active power of SC during HVRT, i.e., the difference between the active power of GESC and DRSC, is given by considering 1 pu active power from PMSG as 在此期间，SC储存的能量为 可以在此期间被存储在SC的能量的最大数量由它的最大值和最小值的电压作为确定 因此，所需要的SC的电容是通过求解衍生（8）和（9）作为

2.2.2。电压骤升到1.15pu 2秒

基于相同的计算过程中，SC的电容在这种情况下，被赋予 根据上述计算（10）和（11)， SC电容设置为0.3F。

由于双向DC/DC变换器是一种常规的Buck-Boost变换器，故本文对其设计不作进一步讨论。

3.基于永磁同步电机的WTGS的HVRT控制

3.1。HVRT控制方案

为了实现HVRT控制，具有SCESU一套基于PMSG-风力发电机组的控制逻辑的开发基于有限状态机的设计方法，如图2。当“故障控制”被激活，并且被接收过电流的标志，则GESC，GRSC，和SCESU是“关闭”，并且所有的PI调节器与它们的引用设定为相同作为反馈值，以避免饱和复位，如图所示在状态1，当“HVRT控制”被激活由于电压涌浪的标志，则执行无功电流优先控制GRSC的（RCPC）来吸收电感性无功功率和SCESU电荷存储GESC和GRSC之间的不平衡能量，如图所示在状态2，当PCC电压恢复，状态2转换到状态3。在状态3中，一旦PMSG输出是下一个一定值时，SCESU排出以供应电能回电网。风力发电机的返回到“正常对照”（状态0）时SCESU放电至SC最小电压。

3.2。控制GRSC

GRSC的所提出的控制的详细框图显示于图3。Ctr1通过测量电网电压来表示控制方式。在正常电网条件下取值为“1”，采用常规VOC;在电网电压膨胀时取值为“0”，采用无功电流优先控制。

用于无功发电作为交流电压的功能的特定要求在[不被认为9]电压时膨胀。考虑电网电压涌浪的深度和GRSC调制的极限时，无功电流基准计算为 哪里是可允许的增加比米;是极限和GRSC的额定电流的比率;和是膨胀和额定电压的比率。

有功电流参​​考值设置为保护GRSC电流为小于它的最大允许值如

3.3。SCESU控制

数字4节目SCESU的控制框图。CTR1是电网电压骤升期间设置为“0”，和直流电压外环和电流内环被用来控制SCESU吸收的不平衡能量，并在DC链路电压保持稳定。CTR1为“1”的正常电网状况和风力发电机的有功功率输出小于其额定功率，并且SCESU被排出，直到超级电容器电压达到其下限期间。

4.仿真与分析

在RTDS / RSCAD获得的初步仿真结果示于[呈现19]比较基于PMSG-风力发电机组的性能HVRT并没有安装SCESU。Two comparative test scenarios are considered: voltage swell to 1.2pu for 200 ms and voltage swell to 1.15pu for 2s. Compared with the system without SCESU, the HVRT performance of the system is enhanced significantly in the system with the SCESU installed. The proposed scheme can maintain the DC-link voltage at constant and the harmonic content of the GRSC current is reduced remarkably. The transient oscillations are also alleviated at the same time. The results demonstrate the feasibility and effectiveness of the installed SCESU in enhancing HVRT performance of the PMSG-based WTGS. In this paper, more detailed simulation and hardware-in-loop (HiL) test results are presented.

详细的仿真模型是建立在RTDS / RSCAD软件SCESU评估基于PMSG-1.5MW风力发电机组的性能HVRT当电网电压骤升。在模拟系统中，DC母线电压1.22kV;升压变压器是1.6MVA和0.69 / 35KV的容量和电压的评分;在模拟预触发时间为20％。在模拟测试，是假设PMSG是在额定运转状态运行。仿真测试主要是针对以下两种情况下进行。

4.1。Voltage Swell to 1.2pu for 200 ms

在该试验中，将三相对称电压膨胀至1.2pu处1.0S 0.8S和恢复到1.0pu，持续200毫秒。相应的测试结果显示在图五。如图所示五，当电网电压溶胀，直流链路电压实际上保持恒定，除了短暂的波动，以及调制指数0.9和0.95之间大约波动。的GRSC和PCC的电流（流过网格）也属于可接受的范围内调节。当电网电压增加的有功功率P_PCC无功功率Q_PCC在PCC增加。因为造成的电压膨胀多余的能量被充入到SC的SC电压从0.3kV增加至0.8kV。

在1.0秒的电网电压恢复并该系统可以在先前建立的稳态操作。在2.2S时，PMSG输出降低到0.75pu。为了补偿这种减少，SC被调节到放电以释放所储存的能量并且直到SC电压降低到0.3kV其输送到电网。它可以从这些结果可以得出结论：用SCESU所提出的方案可以从0.8秒电压骤升至1.0秒期间提供具有增强能力HVRT系统。多余的能量被用来补偿PMSG输出降低。在本次测试中表现HVRT符合表第二个要求1。

4.2。电压骤升到1.15pu 2秒

在这个测试中，电网电压升高到1.0秒，并返回到1.0pu 1.15pu在3.0S，持续两秒钟。试验结果描述于图6。如图所示6，除部分暂态部分外，直流链路电压均为恒压调节。GRSC吸收0.98MVar的感应无功功率从1s到3s，由于电流限制，将有功输出降低到1.4MW。SCESU存储了多余的有功功率，因此超级电容器的电压从0.3kV增加到0.865kV。与前一场景类似，在电网电压恢复并检测到PMSG输出降低后，SCESU将存储的能量放电并输送到电网，SC电压降至0.3kV。本试验的HVRT性能满足表中第一项要求1。

5.半实物仿真设计与分析

5.1。HiL测试平台的设计

为了进一步验证了HVRT控制的可行性，控制硬件在环（HIL）测试平台进行了研究，以降低开发成本高，技术难度。在HIL的测试平台，所述基于PMSG-风力发电机组和SCESU的电源电路进行建模RTDS，并且被实现控制器是一个实时的数字信号处理器（DSP）。RTDS与DSP之间的接口显示在图7。的千兆位收发器的模拟输出卡（GTAO）用于发送信号（例如电压ü_PCC，和 ，当前的 ，和PMSG的输出功率P_PMSG）从RTDS到外部DSP，和千兆位收发器的数字输入卡（GTDI）用于接口的PWM信号为SCESU的半导体从DSP到RTDS切换。HIL的平台的照片显示在图8。

5.2。测试结果与分析

HIL的试验基于PMSG-风力发电机组与SCESU的结果显示在图9和10对应于模拟在图测试五和6， 分别。由于在这些结果中看到，它的结论是，HIL测试结果密切配合前面介绍的模拟结果。RTDS仿真和HIL测试的结果之间的细微差别是由GTAO卡（约6〜8微秒）和GTDI卡（约1〜2微秒）的延迟造成的。这些结果示出了与所提出的方案，与表要求的实施遵循的增强性能HVRT1。所提出的HVRT控制方案的基础上SCESU的正确性和可行性，在以HIL测试平台的进一步验证。

6。结论

本文想出了基于GRSC操作的理论分析基于PMSG-风力发电机组潜在HVRT解决方案。在所提出的方案中，SCESU连接与背到后端转换器的DC链路平行。当电压发生膨胀和释放所存储的能量至电网时，PMSG输出减小SCESU存储GESC和GRSC之间的不平衡能量。基于PMSG-风力发电机组可以保持操作和电压期间从电网吸取感性无功功率溶胀和PMSG输出还原可以使用存储在SC中的能量来补偿。基于PMSG-风力发电机组的HVRT能力由所提出的方案和相应的控制器提高。该HVRT性能符合相关要求。在RTDS仿真所获得的结果和硬件在环测试验证了该HVRT解决方案的可行性和效果。

数据可用性

基于RSCAD / RTDS模拟数据用于支持本研究的结果是请直接从相应的作者。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由中国（51767019，51867020），国家自然科学基金和由内蒙古自治区（2016MS0504，2015MS0544）的自然科学基金部分的部分资助。

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