賈 超，李廣凱，王勁松，白 愷

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003;2.華北電力科學研究院 高壓所，北京 100045)

0 引言

21世紀是傳統(tǒng)能源緊缺的世紀，預(yù)計到2030年世界對能源的需求將增加44%[1]。隨著全球能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，開發(fā)和利用可再生的清潔能源勢在必行。風力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，具有占地少、無污染、建設(shè)周期短、裝機規(guī)模靈活等優(yōu)點。

目前風力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)只能在一定風速下捕獲風能，發(fā)電效率較低;變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機或雙饋電機作為發(fā)電機，直驅(qū)型風機可省去雙饋型風機的增速齒輪箱，減少發(fā)電機的體積和重量，可降低噪聲和維護費用。這種發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制方法相對容易，受到了廣泛關(guān)注[2～4]。

高電壓穿越 (High Voltage Ride Through，HVRT)意味著風力發(fā)電機在電網(wǎng)電壓突升的情況下仍能保持并網(wǎng)運行。對于高電壓穿越，國家電網(wǎng)防風電大規(guī)模脫網(wǎng)的重點措施要求風電機組應(yīng)具備一定的過電壓能力 (風電場并網(wǎng)點電壓為1.3倍額定電壓)，應(yīng)能與場內(nèi)無功動態(tài)調(diào)整的響應(yīng)速度相匹配，實現(xiàn)高電壓情況下的不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

高電壓產(chǎn)生的情況可能是由負荷掉閘或不平衡的電網(wǎng)故障引起的。當電網(wǎng)電壓超出一定的額度后，通過網(wǎng)側(cè)變流器的電流可能會反向，導致直流母線電壓的快速提升。澳大利亞的電網(wǎng)標準要求風電機組能承受1.3倍額定電壓的時間為 60 ms[5]。

關(guān)于風機實現(xiàn)高電壓穿越的文獻不多。文獻[5]從硬件、機側(cè)變流器控制和網(wǎng)側(cè)變流器的控制來解決高電壓穿越，通過模擬仿真驗證了其控制策略。文獻[6]提出了用動態(tài)電壓補償和靜止同步補償器來解決高電壓穿越，并對兩者進行了比較，通過仿真得到了驗證。

本文選擇用網(wǎng)側(cè)變流器的無功控制，并配合直流側(cè)使用卸荷電阻的Crowbar電路，實現(xiàn)直驅(qū)型風電系統(tǒng)的高電壓穿越。基于Matlab/Simulink搭建了直驅(qū)型風電系統(tǒng)模型，通過仿真比較，證明了文中提出方案的有效性。

1 風電機組的容性無功

文中采用不可控整流+Boost升壓+可控逆變的典型直驅(qū)型風電機組模型，發(fā)電機定子經(jīng)AC/DC/AC變流器和電網(wǎng)連接，不直接和電網(wǎng)耦合。電網(wǎng)電壓的升高導致發(fā)電機定子側(cè)輸出的有功功率和網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的有功功率不平衡，致使直流側(cè)電壓上升，當電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時，又相當于低電壓穿越，網(wǎng)側(cè)變流器電流會突增，風機發(fā)出的有功和無功也會突增，威脅到IGBT的安全。

當電網(wǎng)電壓升高，此時若能讓風機提供容性無功，就能緩解電網(wǎng)的高電壓對風機的影響。直驅(qū)型風機采用的是全功率變流器，通過改變網(wǎng)側(cè)逆變器的控制策略，使其能提供容性無功。網(wǎng)側(cè)逆變器控制策略:當電網(wǎng)電壓正常時，q軸 (無功)電流設(shè)為0，使系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài);當電網(wǎng)電壓升高時，在不超過網(wǎng)側(cè)逆變器所能承受的最大電流，最大限度地向電網(wǎng)提供容性無功。為無功控制電流，為有功控制電流。公式如下:

2 直流側(cè)Crowbar保護電路

直驅(qū)型風電系統(tǒng)采用卸荷電阻作為Crowbar電路，直流側(cè)Crowbar電路和網(wǎng)側(cè)逆變器電路控制框圖如圖1所示。直流側(cè)卸荷電阻如圖2所示，系統(tǒng)正常工作時卸荷電阻不投入運行;當電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流側(cè)電壓上升，投入卸荷電阻，消耗掉多余的能量，使風機和變流器的運行基本不受到影響。用卸荷電阻作為Crowbar保護電路，實現(xiàn)簡單，可靠性高。卸荷電阻將多余的能量以熱量的形式消耗掉，需要較大的阻性負載，短時間可正常運行，長時間需考慮散熱問題[7]。

圖1 直流側(cè)Crowbar電路和網(wǎng)側(cè)逆變器電路控制框圖Fig.1 Crowbar circuit in DC side and control block diagram of inverter circuit in network side

圖2 直流側(cè)采用的卸荷電阻Fig.2 Unloading resistance of DC side

3 仿真分析

文中基于Matlab/Simulink搭建風電場接入無窮大系統(tǒng) (如圖3所示)。風電場由5臺2 MW的直驅(qū)型風電機組成，風電機出口電壓為690 V，通過箱變升為10 kV，經(jīng)由一條30 km的輸電線路送至風電場升壓站，電壓升為110 kV，最終接入無窮大系統(tǒng)。假定電網(wǎng)電壓在0.2 s時升高到額定電壓的1.3倍，此時發(fā)電機處于額定運行狀態(tài)，0.4 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù)到額定電壓。仿真參數(shù)如下:永磁發(fā)電機極對數(shù)30，線電壓690 V，磁感應(yīng)強度1.2 p.u.，定子電阻為0.006 p.u.，交軸電感為1.305 p.u.，直軸電感為 0.474 p.u.，額定頻率50 Hz;直流側(cè)母線額定電壓1 100 V;卸荷電阻為1.0 Ω，網(wǎng)側(cè)逆變器電流最大值為1.3 p.u.。

圖3 風電場接入無窮大系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of wind farm access infinity system

3.1 不提供無功和不投入Crowbar電路時的特性

圖4是風機不提供容性無功和不投入Crowbar電路時的仿真波形。從圖4(a)，(c)可知，0.2 s時電網(wǎng)電壓升高到額定值的1.3倍，網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電流開始減小，在0.4 s電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，輸出電流增大到1.4 p.u.。由圖4(b)可知定子電流在電網(wǎng)電壓升高時無明顯變化，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，有一個約1.3倍的波峰。圖4(d)，(e)可知輸出的有功功率和無功功率在電壓突升時均有一個下降，在電壓恢復(fù)時均有很高的波峰，嚴重損害網(wǎng)側(cè)變流器中的IGBT器件。圖4(f)為直流側(cè)電壓，在故障期間，直流側(cè)電壓最高上升至1 200 V，至0.4 s電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，直流電壓跌至820 V左右。

圖4 不提供無功和不投入Crowbar的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of no reactive power and no Crowbar

3.2 提供無功和投入Crowbar電路時的特性

圖5(a)是采用文中所提出控制策略后直驅(qū)型風電系統(tǒng)高電壓穿越時的仿真波形。圖5(b)是風電機組定子電流波形，可以看出基本平穩(wěn)。圖5(c)中網(wǎng)側(cè)變流器輸出的電流在提供容性無功后上升至1.1倍。圖5(d)為輸出有功功率，最高至11.8 MW，最低至8 MW。由圖5(e)可知，發(fā)電機在電網(wǎng)電壓升高期間，提供了約7 MVar的容性無功，平穩(wěn)了定子、網(wǎng)側(cè)變流器的電流。圖5(f)為直流側(cè)電壓，最低至1 028 V，利用卸荷電阻將直流側(cè)電壓控制在1 110 V，卸荷電阻在電壓高于1 110 V時，一直處于投運狀態(tài)，0.9 s后直流側(cè)電壓恢復(fù)正常，卸荷電阻退出。

圖5 提供無功和投入Crowbar時的仿真波形Fig.5 Simulation waveform of provided reactive power and Crowbar

4 結(jié)論

文中分別仿真不提供容性無功和Crowbar電路、提供容性無功和Crowbar電路這兩種情形下直驅(qū)型風電系統(tǒng)的高電壓穿越特性，對比發(fā)現(xiàn)，后者可以保護網(wǎng)側(cè)變流器的元件，使母線電壓波動減小，有效地提高了直驅(qū)型風電機組的高電壓穿越能力。此外，也需注意到，提供容性無功后直流側(cè)電壓有一個下降(1 028 V)，有待改進無功電流的控制策略，使其平穩(wěn)過渡。