孟慶天閆志海李莉美

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010 3.內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特 010020）

隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來越多，這與地球有限的化石能源儲(chǔ)量相矛盾，現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)正在爆發(fā)能源危機(jī)。以此為契機(jī)在全球范圍內(nèi)以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源得到巨大的發(fā)展。但是風(fēng)電的發(fā)展還存在很多技術(shù)上的缺陷，比如很多風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越的能力。

1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)分析

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程是，首先通過風(fēng)力機(jī)把自然界中的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械能再被永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率sP被變流器整流后注入直流側(cè)電容中，假設(shè)電力電子器件是理想器件沒有損耗，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率與注入直流側(cè)功率相等[1]。表達(dá)式為

式中，usd為發(fā)電機(jī)定子d軸電壓，usq為發(fā)電機(jī)定子q軸電壓，isd為發(fā)電機(jī)定子d軸電流，isq為發(fā)電機(jī)定子q軸電流。udc為直流側(cè)并聯(lián)的電容電壓，is為整流器輸出到直流側(cè)電容的電流。

背靠背全功率變流器中間直流側(cè)并聯(lián)的電容表達(dá)式為

式中，C為直流側(cè)并聯(lián)的電容，ig為流出直流側(cè)并聯(lián)電容的電流。

直流側(cè)向網(wǎng)側(cè)輸出的功率為

為了能夠讓直流側(cè)左右兩端功率匹配，即Ps=Pg，直流側(cè)電容電壓應(yīng)是一定值。在網(wǎng)側(cè)采用電壓定向雙閉環(huán)控制方法，電流內(nèi)環(huán)，直流側(cè)電容電壓外環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)。當(dāng)外界風(fēng)速發(fā)生較大變化時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率將會(huì)急劇增加，在很短的時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)側(cè)變流器不能完全吸收機(jī)側(cè)變流器發(fā)出的全部功率，多余的能量就被儲(chǔ)存在直流側(cè)電容中，電容電壓會(huì)增高[2]。

把網(wǎng)側(cè)電力電子器件和并網(wǎng)電抗器假設(shè)為理想器件，忽略所有損耗，那么直流側(cè)向網(wǎng)側(cè)逆變器注入的功率與網(wǎng)側(cè)逆變器輸入到電網(wǎng)的功率相等，表達(dá)式為

式中，egd為電網(wǎng)電壓d軸分量，egq為電網(wǎng)電壓q軸分量，igd為電網(wǎng)電流d軸分量，igq為電網(wǎng)電壓q軸分量。

接下來對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障,電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的暫態(tài)過程進(jìn)行分析。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，為使逆變器向電網(wǎng)注入的功率不變，流過電力電子器件的電流值會(huì)變大，但是電力電子器件有內(nèi)阻，熱容量有限。在流過的電流值過大時(shí)，會(huì)造成器件燒毀。因此必須對(duì)流過電力電子器件的最大電流值進(jìn)行限制，防止過電流的發(fā)生，那么逆變器注入電網(wǎng)的功率就會(huì)降低。此時(shí)如果發(fā)電機(jī)向直流側(cè)電容注入的功率不減小，直流側(cè)電容電壓會(huì)升高。因此機(jī)側(cè)整流器也相應(yīng)的做出動(dòng)作，調(diào)低發(fā)電機(jī)發(fā)出功率，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也變小。如果風(fēng)速不變，風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變，永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)上升，這時(shí)風(fēng)機(jī)漿距角必須變大，降低風(fēng)能利用系數(shù)，達(dá)到功率匹配。當(dāng)電網(wǎng)故障、電壓跌落的時(shí)間很短時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因?yàn)閼T性不會(huì)變化的太多，發(fā)電機(jī)向外輸出能量幾乎不變。當(dāng)電網(wǎng)故障持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)變高，同時(shí)漿距角會(huì)變大來制約轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，但是漿距角的變化很慢，很難在較短時(shí)間達(dá)到理想效果。因此，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，會(huì)影響直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)單元，做出反應(yīng)需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后不利于迅速恢復(fù)正常工作[3]。

綜合分析，采用在機(jī)組直流側(cè)并聯(lián)卸荷支路來消耗直流側(cè)多余能量的方法來提高機(jī)組低電壓穿越能力較為理想。在電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓跌落，直流母線電容兩端功率不匹配時(shí)，讓卸荷支路工作，維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。在這期間風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)變流器都不會(huì)被影響，很大程度上消除了電網(wǎng)電壓跌落對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)到正常值后，系統(tǒng)可以迅速恢復(fù)正常[4]。

2 目前直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的幾種方法

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)經(jīng)常會(huì)使直流母線電壓過高，目前直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越采取的主要措施有[5]：①選擇過流和耐壓值較大的電力電子功率器件，同時(shí)選用耐壓值較高的直流側(cè)電容；②改進(jìn)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略；③采用變漿距控制。其中方法①、②可以提高直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落的幅值非常大時(shí)采用上述兩種方法就很難實(shí)現(xiàn)其低電壓穿越。通常電網(wǎng)電壓跌落的時(shí)間較短(≤1s)[6]，但方法③的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。所以需要在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)增加相應(yīng)的硬件電路，以提高其低電壓穿越能力。較理想的方式是在直流母線（DC-link）上接卸荷支路。雖然當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)不平衡的能量會(huì)被卸荷電阻消耗掉，但是電網(wǎng)故障發(fā)生的幾率很小，即使發(fā)生持續(xù)時(shí)間也非常短。全年消耗掉的功率與輸送的功率相比是微乎其微的。

3 在直流側(cè)添加卸荷支路以提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力

采用在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)添加卸荷支路的方法消耗多余的能量以解決能量的不匹配問題。如圖1所示，卸荷支路一般由控制支路、卸荷電阻、電力電子功率器件構(gòu)成。為了使直流側(cè)兩端能量實(shí)現(xiàn)匹配，通過控制電力電子功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制卸荷電阻投入和切出，最終實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的目的[7]。

圖1 直流側(cè)添加卸荷支路的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

方程（5）為控制直流側(cè)電容電壓的方程

式中，Pin為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子側(cè)向直流側(cè)輸入的有功功率；Pout為直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)輸出的有功功率?？梢杂霉剑?）來求卸荷支路的導(dǎo)通占空比[8]

式中，Rd為卸荷電阻；d為電力電子功率器件在1s內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間。當(dāng)直流側(cè)電容電壓升高，輸入輸出能量不平衡時(shí)，讓卸荷電阻把不平衡能量的絕對(duì)值消耗掉。當(dāng)ΔP在限定的幅值內(nèi)時(shí)，卸荷電阻不消耗能量，此時(shí)d=0；當(dāng)ΔP超出特定幅值時(shí)，立刻投入卸荷電阻工作，此時(shí)0＜d＜1；當(dāng)Udc超出特定范圍時(shí)，取d=1，完全投入卸荷支路工作。美國(guó)專利6819535[9]，采用直流側(cè)電壓值作為電力電子功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷的判斷條件，把直流側(cè)參考電壓與實(shí)際電壓的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，從而控制電力電子功率器件的導(dǎo)通占空比，如圖2所示。

圖2 卸荷支路Pl調(diào)節(jié)控制框圖

4 卸荷支路電阻值計(jì)算

卸荷支路上電阻的阻值與直流側(cè)電容允許的最高電壓和需要消耗的多余能量相關(guān)。以國(guó)家電網(wǎng)為參照標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至系統(tǒng)額定電壓的20%及以上時(shí)，風(fēng)機(jī)必須并網(wǎng)，當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)額定電壓的20%時(shí)，風(fēng)機(jī)可以與電網(wǎng)解列[10]。以并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至電網(wǎng)電壓的20%，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定容量為1.5MW，直流側(cè)電容額定電壓1.2kV，電阻阻值的計(jì)算式如式（7）所示。

此文中，卸荷支路電阻值選取此值。

5 仿真分析

根據(jù)前面的分析與設(shè)計(jì)，將兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下進(jìn)行仿真，風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速為11.5(m/s)，風(fēng)機(jī)額定容量為1.5MW。系統(tǒng)其他主要參數(shù)：直流母線參考電壓為1200V，機(jī)組額定電壓690V，極對(duì)數(shù)N=139，額定頻率為50Hz，定子電阻 Ra=0.001Ω ，電感 La=0.0015H，直流側(cè)電容 C=48000μF。連接電抗器電阻 R=0.0012Ω ，電感L=0.0005H。并網(wǎng)變壓器低壓側(cè)線電壓為690V。

仿真模型運(yùn)行在1s時(shí)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相短路故障，電網(wǎng)電壓由原來的690V跌落到138V，跌落到20%，跌落時(shí)長(zhǎng)0.625s。這是國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的維持并網(wǎng)，最嚴(yán)重的電壓跌落情況。單相電壓跌落情況如圖3所示。單相電壓幅值是563V，在1.0s時(shí)發(fā)生電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓跌落，幅值為113V，跌落時(shí)長(zhǎng)是0.625s。圖4所示為在沒有為直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)添加卸荷支路時(shí)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相電壓短路故障時(shí)機(jī)組的直流側(cè)電容電壓和向電網(wǎng)注入有功功率的仿真波形。從圖4（a）可見，電網(wǎng)電壓在1s時(shí)跌落，直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)直流母線電壓升高大約1300V，實(shí)際中會(huì)把電容器燒毀；注入電網(wǎng)的有功功率減小，如圖4（b）所示，在1.625s時(shí)開始趨于穩(wěn)定。圖5所示為在為機(jī)組直流側(cè)添加卸荷支路后，電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相電壓短路故障時(shí)機(jī)組的直流側(cè)電容電壓和向電網(wǎng)注入有功功率的仿真波形圖。電網(wǎng)電壓在1s時(shí)跌落，從圖 5（a）、（b）可見，直流側(cè)電容電壓一直較好的維持在1200V左右，沒有受到電網(wǎng)電壓故障的影響。系統(tǒng)向電網(wǎng)注入有功功率減小到20%，減小的功率全部由卸荷支路電阻消耗。

圖3 電網(wǎng)相電壓跌落圖

圖4 電網(wǎng)故障情形

圖5 應(yīng)用卸荷支路提高風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力

6 結(jié)論

本文采用在直流側(cè)添加卸荷支路的方法提高直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落，通過控制卸荷支路，來消耗直流側(cè)積聚的過多能量，保護(hù)電容不被燒毀，防止風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故的發(fā)生。通過對(duì)仿真波形的分析我們可以知道應(yīng)用卸荷支路法可以很好的提高直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

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