有功不平衡控制的策略分析

消除由电网电压跌落带来的“有功不平衡”问题的方法可以分为3类：①减小发电机的输出功率，进而减小换流器的输入功率；②在直流母线处消除不平衡功率；③增大网侧换流器输出功率能力。

7.5.2.1　减小换流器的输入功率

减小换流器输入功率法按照响应速度的快慢，又可分为调节风力机的桨距角和限制发电机的电磁功率两种。

1.桨距角调节

风力机捕获风能的大小与桨距角相关。在正常工况下，一般控制桨距角来实现最大功率跟踪。在电网故障情况下也可通过调节桨距角使其不工作在最大功率点。调节桨距角可以减小风力机输出的机械能Pm，从而减小发电机输出功率Pe来实现风力发电机组的有功平衡。该方法不需要增加额外的硬件，但由于桨距角调节属于机械调节，动态响应时间通常在几百毫秒乃至秒级，且该方法存在较大的延时，因此只适用于长时间故障。对于几个工频周期的电压暂降，采用桨距角调节难以有效限制发电机的输入机械功率，需要其他方法来实现故障穿越。

2.限制发电机的电磁功率

为了快速限制输入功率，在电网发生故障时，通过机侧换流器的控制限制发电机的电磁功率Pe来消除不平衡功率ΔP，将多余的机械能转化为转子动能，使转子加速。由于机组转动惯量常数H一般为秒级，对于持续时间为几个工频周期的电网短路故障而言，转子转速的增量很小，可认为转速几乎不变。当故障切除后，转子转速将自动下降，且转子存储的动能将释放回电网。故障恢复时间tr可表示为

式中　Wr——故障期间转子存储的动能；

ΔP——不平衡功率；

tf——故障持续时间；

PeN——电磁功率的额定值；

ki——换流器的过流系数。

从式（7-22）可以看出，故障恢复时间与故障期间的不平衡功率ΔP和故障持续时间tf成正比，与换流器过流系数成反比。以ΔP=0.4PeN、换流器过流系数为0.2为例，故障恢复时间将为故障持续时间的2倍。在故障恢复过程中，若再次发生故障，由于发电机转子动能还未全部转化为电能，又需要将一部分机械能转化为转子动能，使其转速在前次故障的基础上加速，有可能导致发电机失速，不能继续并网运行。

7.5.2.2　在直流母线处消除不平衡功率

在直流母线处消除不平衡功率可以应用增大直流母线电容、直流母线处增加卸荷负载和采用储能装置三种方法。

1.增大直流母线电容

为了在直流母线处消除不平衡功率，最直观的就是将母线电容作为储能元件。直流母线电容值可以根据下式确定(www.xing528.com)

式中　Udcmax、Udcmin——直流母线电压允许的最大值和最小值；

C——母线电容。

虽然该方法不需要改变任何控制策略，只需将直流侧的电容增大，但电容值需急剧增大才能存储功率差额。直流母线的电解电容极易受损，是影响机组可靠性的重要因素，从体积和可靠性的角度都希望电解电容值尽可能小。因此，通过增大直流母线电容来存储功率的能力有限。

2.直流母线处增加卸荷负载

为了避免增大直流母线电容的缺点，可以用在直流母线处增加卸荷负载的方法来消耗不平衡功率ΔP。卸荷负载功率的控制通过控制卸荷开关的占空比来实现，关系式为

式中　D——卸荷负载开关的占空比；

R——卸荷负载的电阻值；

udc——直流母线电压。

该方法能快速消除不平衡功率，但会将能量消耗掉，同时给系统带来安装及散热等问题。

3.采用储能装置

为了减小损耗，可以利用储能元件储存不平衡功率以实现故障穿越，还可以使有功功率输出更平滑。如在直流母线处加入超级电容进行储能，采用飞轮储能系统解决不平衡有功功率ΔP。在直驱式永磁同步风力发电机组中交—直—交变流器直流母线加入超级电容储能的结构如图7-17所示，利用对双向DC—DC变换器的控制可以消纳在故障期间输入、输出功率的差值，进而解决有功功率不平衡的问题，避免直流母线电压的升高。

图7-17　含超级电容储能的直驱式永磁同步风力发电机组

采用储能装置可以很好地解决不平衡功率的问题，实现故障穿越，但储能元件的成本高，另外储能系统的能量管理和控制也需要额外的研究，目前尚未大范围应用，是一种很有发展前途的方案。

7.5.2.3　增大网侧换流器输出功率能力

增大网侧换流器输出功率能力主要是在电网电压出现偏差时采用无功补偿的方式实现电压支撑。实现无功补偿的方法主要有改变网侧变换器的控制策略输出无功电流和利用无功补偿器补偿无功功率两类。该方案一般应用于电压偏差范围较小的情况，在严重短路故障情况下利用无功补偿的方法实现电压支撑的能力有限。