顧偉峰 楊志千 郭 銳

（北京天誠(chéng)同創(chuàng)電氣有限公司，北京 100176）

風(fēng)能具有清潔、分布廣泛、可再生和無(wú)污染的特點(diǎn)，受到世界的普遍重視。隨著政府推動(dòng)節(jié)能減排的力度不斷加大，我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)得到迅猛發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增大，隨著單機(jī)容量不斷增大和利用效率提高，國(guó)內(nèi)主流機(jī)型已經(jīng)成為1.5～2.5MW[1]。

無(wú)齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問(wèn)題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和壽命，減少風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)成本，已經(jīng)成為大容量風(fēng)力發(fā)電的主流技術(shù)之一。在大功率變流技術(shù)和高性能永磁材料日益發(fā)展完善的背景下，永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）與全功率變流器結(jié)合成為直驅(qū)方式的主要實(shí)現(xiàn)形式[1-2]。

直驅(qū)機(jī)組的典型組成如圖1所示。由于采用全功率變流器作為機(jī)組與電網(wǎng)的惟一接口，使得直驅(qū)機(jī)組相比雙饋型機(jī)組具有更好的低電壓穿越性能和電網(wǎng)友好性[2]。因此這些年對(duì)于全功率變流器的研究也成為了業(yè)內(nèi)熱門(mén)[3-4]。

圖1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型組成

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。作為直驅(qū)機(jī)組的關(guān)鍵部件，全功率變流器的可靠性要求也越來(lái)越高，特別是低電壓穿越（LVRT）能力，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[5-9]。

本文介紹了一種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變流器在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遇到的特殊故障工況——網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障。即在機(jī)組正常工作時(shí)，變流器和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)沒(méi)有收到任何指令的情況下，圖1中的變壓器低壓側(cè)或者高壓側(cè)發(fā)生跳閘。這時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪還在吸收功率，而網(wǎng)側(cè)無(wú)法輸出功率，極限工況是發(fā)生在滿發(fā)的情況下。從整機(jī)可靠性角度出發(fā)，要求變流器不發(fā)生器件損壞，并及時(shí)報(bào)出故障通過(guò)主控系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)安全停機(jī)。本文分析了無(wú)保護(hù)策略時(shí)此故障工況下變流器的運(yùn)行特點(diǎn)，并給出了仿真結(jié)果。根據(jù)分析，提出了保護(hù)策略并用仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 發(fā)生網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障時(shí)的變流器運(yùn)行特 點(diǎn)分析

為了能更好理解發(fā)生網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障時(shí)變流器將出現(xiàn)的非正常工況，本節(jié)先對(duì)不采取任何保護(hù)策略的情況進(jìn)行分析。

1.1 理論分析

根據(jù)上一節(jié)中對(duì)網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障的定義可以看出，故障時(shí)刻機(jī)組從葉輪到發(fā)電機(jī)到變流器的機(jī)側(cè)都沒(méi)有發(fā)生變化，可以看作一個(gè)恒定的直流功率輸入源。這樣可以將機(jī)組簡(jiǎn)化為圖2所示的電路圖。實(shí)際應(yīng)用對(duì)于大容量變流器網(wǎng)側(cè)會(huì)采用并聯(lián)運(yùn)行的方式[3]，但仍可用圖2電路圖進(jìn)行分析。

圖2 網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障時(shí)的簡(jiǎn)化電路

從圖2可以看出，無(wú)論故障點(diǎn)1 還是故障點(diǎn)2發(fā)生斷路器跳閘時(shí)，機(jī)組的Pout突變?yōu)?，而因機(jī)組的葉片、機(jī)側(cè)整流器等工況未變，機(jī)側(cè)輸入功率Pin仍保持不變。根據(jù)PWM 整流器工作原理，直流母線電容上電壓會(huì)升高[10]，根據(jù)能量守恒原理可得到如式（1）所示的直流母線電壓和機(jī)側(cè)功率輸入之間的關(guān)系。

式中，C為直流母線電容的容值；Udc1為故障發(fā)生后t時(shí)刻的直流母線電壓值；Udc0為故障發(fā)生前正常運(yùn)行的直流母線電壓值；Pin為機(jī)側(cè)輸入的功率。

根據(jù)式（1）可以看出，發(fā)生甩負(fù)荷故障后直流母線電壓會(huì)快速上升。例如某型2MW 變流器，直流母線電容容量為32mF，正常工作時(shí)直流母線電壓為1050V，發(fā)生故障后上升到目前絕大部分低壓兩電平變流器用IGBT 的集、射極擊穿電壓（VCES）1700V[11]所需的時(shí)間僅為0.0143s。對(duì)于其他功率等級(jí)的變流器，由于母線電容和功率等級(jí)之間關(guān)系基本一致，故障發(fā)生后直流母線電壓上升到VCES的時(shí)間都在0.015s 左右。

直驅(qū)機(jī)組中全功率變流器的網(wǎng)側(cè)逆變器實(shí)際上是三相電壓型PWM 整流器，其控制策略一般都采用應(yīng)用最為廣泛的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的電壓定向控制（VOC）[3,10,12]，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 電壓定向控制（VOC）系統(tǒng)框圖

從圖2可以看出當(dāng)故障1 點(diǎn)發(fā)生跳閘故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器變?yōu)橹挥芯W(wǎng)側(cè)濾波器作為負(fù)載，當(dāng)在故障點(diǎn)2 發(fā)生跳閘時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器變?yōu)榫W(wǎng)側(cè)濾波器加上變壓器低壓側(cè)繞組作為負(fù)載，而變壓器處于空載運(yùn)行的高阻抗?fàn)顟B(tài)。這兩種工況對(duì)于變流器來(lái)說(shuō)輸出的有功功率近似為0。根據(jù)圖3的系統(tǒng)框圖可以看出，當(dāng)直流母線電壓Vdc增加時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸出電壓會(huì)跟隨增加，而不是表現(xiàn)為網(wǎng)側(cè)電壓跌落。這種工況與文獻(xiàn)[13-14]介紹的孤島運(yùn)行方式非常相似，只是甩負(fù)荷故障工況更加嚴(yán)重，其輸出的有功負(fù)載相對(duì)于變流器容量來(lái)說(shuō)相當(dāng)于零。

1.2 不采取任何保護(hù)策略時(shí)的仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，建立如圖4所示的Matlab/Simulink 仿真模型[15]。模型中機(jī)側(cè)部分用根據(jù)直流母線電壓和功率而計(jì)算得到的受控電流源替代；網(wǎng)側(cè)逆變器的控制器根據(jù)變壓器低壓側(cè)和網(wǎng)側(cè)濾波器之間的電壓、電流信號(hào)和直流母線電壓信號(hào)作為輸入，構(gòu)成圖3所示電壓定向控制算法。變流器通過(guò)變壓器連接到400MVA 的電網(wǎng)中，用來(lái)模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)連接到大電網(wǎng)的情況。在0.2s 時(shí)刻控制變壓器低壓側(cè)斷路器斷開(kāi)，可得到如圖5、圖6所示的仿真波形?？梢钥闯?，在故障發(fā)生前網(wǎng)側(cè)輸出為單位功率因數(shù)狀態(tài)，直流母線電壓能很好地跟隨給定值，故障發(fā)生后直流母線電壓快速上升，網(wǎng)側(cè)輸出電壓幅值也隨之增加，而網(wǎng)側(cè)輸出電流降為0。當(dāng)然實(shí)際中不能讓這種情況出現(xiàn)，否則會(huì)對(duì)功率模塊和網(wǎng)側(cè)濾波電容等造成損壞。

圖4 無(wú)保護(hù)策略時(shí)的仿真模型

圖5 電壓電流波形圖

圖6 直流母線電壓變化曲線

2 網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷的保護(hù)策略及采取策略后的 仿真波形

通過(guò)上述分析可知，網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障發(fā)生后，直流母線電壓由于網(wǎng)側(cè)輸出功率降為0、機(jī)側(cè)輸入功率不變而快速上升，這種情況和LVRT 過(guò)程中直流母線電壓的變化非常相似，因此這是可以利用全功率變流器中的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)側(cè)輸入功率進(jìn)行消耗，抑制直流母線電壓的上升。這個(gè)保護(hù)可以采用LVRT 過(guò)程中一樣的控制策略[15-16]，這里不再贅述。

當(dāng)制動(dòng)單元投入后，直流母線電壓會(huì)抑制在一個(gè)系統(tǒng)能夠接受的安全電壓水平，網(wǎng)側(cè)電壓也會(huì)穩(wěn)定。但是由于制動(dòng)電阻不可能長(zhǎng)期工作，目前大部分變流器根據(jù)LVRT 要求會(huì)按照在制動(dòng)電阻上消耗全功率3s的能量進(jìn)行制動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)和選型。因此，在制動(dòng)電阻投入后，變流器的控制系統(tǒng)還應(yīng)該根據(jù)整機(jī)控制策略給定扭矩不變，網(wǎng)側(cè)輸出功率降為零，制動(dòng)單元?jiǎng)幼鞯刃畔⒔o主控系統(tǒng)報(bào)出故障，要求主控進(jìn)入緊急停機(jī)狀態(tài)。變流控制器在報(bào)出故障后同時(shí)發(fā)出指令切斷機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)開(kāi)關(guān)并進(jìn)入停機(jī)控制流程。

根據(jù)上述策略，在圖4的仿真模型中，增加直流側(cè)制動(dòng)電路及其控制部分，將制動(dòng)單元?jiǎng)幼鏖撝翟O(shè)為額定直流母線電壓的1.1 倍進(jìn)行了仿真，得到如圖7、圖8所示的仿真波形。

從圖7、圖8可以看出，當(dāng)直流母線電壓上升到額定值的1.1 倍時(shí)由于制動(dòng)電阻的投入，直流母線電壓會(huì)降低到了額定電壓1.04 倍左右，網(wǎng)側(cè)輸出電壓也就能穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平。

圖7 采用保護(hù)策略后的電壓電流波形

圖8 采用保護(hù)策略后的直流母線電壓波形

3 結(jié)論

本文對(duì)目前集中式并網(wǎng)的大功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷故障發(fā)生后變流器的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出仿真波形。從分析和仿真結(jié)果看，這種故障會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)輸出電壓的上升，與LVRT 工況不同，如果不采取正確的保護(hù)策略會(huì)導(dǎo)致變流器中功率模塊等器件的損壞。根據(jù)分析本文給出一種保護(hù)策略，在故障發(fā)生后快速切入制動(dòng)單元，并根據(jù)變流器輸入指令和執(zhí)行結(jié)果的差異，在制動(dòng)單元能夠承受全功率負(fù)載的時(shí)間段內(nèi)快速報(bào)出故障，讓主控緊急停機(jī)，并切斷機(jī)側(cè)開(kāi)關(guān)。最后用仿真驗(yàn)證了該策略能有效抑制直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)輸出電壓升高。

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