覃慶良，李梅航，于 飛

（青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，青島266042）

與常規(guī)火力發(fā)電、水力發(fā)電、核電等發(fā)電廠相比，風(fēng)力發(fā)電容量相對(duì)很小，所以在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為了保證風(fēng)電機(jī)組的自身安全，通常簡(jiǎn)單采取脫離故障電網(wǎng)的自我保護(hù)措施，等電網(wǎng)電壓恢復(fù)到正常時(shí)，再投入電網(wǎng)運(yùn)行。隨著國(guó)內(nèi)外大型風(fēng)電場(chǎng)的投入運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電在電力能源中所占的比例越來(lái)越大，已經(jīng)不能忽略風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)容量比較大，對(duì)電網(wǎng)接入點(diǎn)潮流影響較大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的離網(wǎng)將會(huì)造成電網(wǎng)電壓和頻率的振蕩，甚至崩潰[1-5]。這樣會(huì)給附近的風(fēng)場(chǎng)負(fù)荷和當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)很大的損失，給大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)困難，使風(fēng)電這種潔凈能源的應(yīng)用受到限制。因此，要使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為電網(wǎng)的“好搭檔”，在大規(guī)模的風(fēng)電應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)脫網(wǎng)的方法已不再適合新電網(wǎng)規(guī)則。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)仍能保持并網(wǎng)，新的電網(wǎng)規(guī)則要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要有一定的低電壓穿越能力。

為保證電網(wǎng)故障時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則的要求，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)進(jìn)行了很多的研究。目前低電壓穿越技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一是改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，二是改進(jìn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器的控制策略。文獻(xiàn)[6]提出用直流母線斬波電路和Crowbar 保護(hù)電路配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，其中，Crowbar 電路限制電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子的過(guò)電流，直流斬波電路用來(lái)限制直流母線電壓，在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)減小直流母線電壓的波動(dòng)和勵(lì)磁變換器的功率波動(dòng)；文獻(xiàn)[7]提出在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器的直流母線上并聯(lián)能量存儲(chǔ)裝置，將電網(wǎng)在故障期間雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)法輸送到電網(wǎng)的過(guò)剩能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在電網(wǎng)故障結(jié)束后送回電網(wǎng)，以保持直流母線電壓的穩(wěn)定，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子變換器的勵(lì)磁控制能力。

文獻(xiàn)[8]通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，考慮了定子電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，建立了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制的精確數(shù)學(xué)模型，這樣就減小了暫態(tài)過(guò)電流，提高了轉(zhuǎn)子側(cè)功率的控制能力和電壓波動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[9]提出利用定子電阻來(lái)對(duì)定子的磁鏈直流分量進(jìn)行滅磁控制，并采取適當(dāng)?shù)膭?lì)磁控制策略限制由定子磁鏈中的正序分量和負(fù)序分量而引起的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓和過(guò)電流。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率就會(huì)迅速降低，如果不控制其捕獲的功率，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，即便是在故障切除后，也很難快速抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，吸收的無(wú)功功率進(jìn)一步增大，定子端電壓下降，進(jìn)一步阻礙電網(wǎng)電壓恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[10-11]。文獻(xiàn)[12]通過(guò)變槳控制的策略來(lái)迅速減小風(fēng)機(jī)捕獲的功率，減少風(fēng)能的輸入，因此發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減少。這樣就限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，減少雙饋風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率，有助于電網(wǎng)電壓的迅速恢復(fù)。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，文獻(xiàn)[13]提出抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流的勵(lì)磁控制策略，轉(zhuǎn)子電流在靜止坐標(biāo)系下的直流分量、正序分量和負(fù)序分量經(jīng)過(guò)50 Hz的帶通濾波器后，直流分量被濾掉，對(duì)剩余的正序分量和負(fù)序分量采用2 個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來(lái)同時(shí)限制轉(zhuǎn)子電流正序分量和負(fù)序分量。

本文將風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，根據(jù)各個(gè)換流站交流側(cè)電壓的跌落情況，來(lái)研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低壓穿越特性。

1 低壓穿越技術(shù)

2009 年我國(guó)出臺(tái)了相關(guān)國(guó)家試運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越進(jìn)行硬性的規(guī)定。圖1 為我國(guó)電網(wǎng)規(guī)定的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)曲線。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線以下時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)中切出。該標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落至額定電壓20%時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms 的能力；風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落2 s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行[14]。對(duì)電網(wǎng)故障期間沒(méi)有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，以至少10%額定功率/s 的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

圖1 我國(guó)規(guī)定的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Standard of low voltage ride-through in China

當(dāng)雙饋電機(jī)直接與該交流電網(wǎng)相連時(shí)，交流電網(wǎng)電壓跌落時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流，轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加還會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的電流以及有功、無(wú)功功率都會(huì)產(chǎn)生振蕩[15]。雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，由于定子磁鏈不能跟隨電壓突變，會(huì)產(chǎn)生直流分量。而且由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，但轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差，因此便會(huì)引起轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流。而且不對(duì)稱(chēng)故障會(huì)使這種過(guò)電壓和過(guò)電流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，這是因?yàn)樵诙ㄗ与妷褐泻胸?fù)序分量，而負(fù)序分量可以產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)差。過(guò)電流會(huì)損壞變流器，而過(guò)電壓則會(huì)損壞發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。

2 多端VSC-HVDC 的低壓穿越

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)與柔性直流輸電系統(tǒng)VSC-HVDC（voltage source converter high voltage direct current）相連，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，通過(guò)相應(yīng)逆變器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳遞的電功率會(huì)明顯減少，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)不停地向直流環(huán)節(jié)注入電功率，因此就會(huì)出現(xiàn)功率不平衡。功率不平衡時(shí)，直流環(huán)節(jié)過(guò)多的電功率就會(huì)儲(chǔ)存在直流電容器中，直流電壓就會(huì)升高。如果不采取措施，那么直流電壓就會(huì)達(dá)到邊緣值。文獻(xiàn)[16]采用了能量耗散的方法，當(dāng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)要用直流斬波器來(lái)消耗風(fēng)力發(fā)電機(jī)過(guò)多的功率；文獻(xiàn)[17]采用低壓穿越方法降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率，通過(guò)降低風(fēng)機(jī)的功率來(lái)恢復(fù)直流環(huán)節(jié)的功率平衡。

但是在多端的VSC-HVDC 中，由于不止一個(gè)換流站用于補(bǔ)償直流環(huán)節(jié)的功率不平衡，電網(wǎng)中的其中一個(gè)換流站所連接的交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，根據(jù)多端系統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的直流電壓可能不變，也可能發(fā)生很小的變化（跟系統(tǒng)的初始狀態(tài)和調(diào)節(jié)能力有關(guān)），這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在電壓跌落前后仍然可以把功率輸送出去，不會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電壓的異常升高，但是在運(yùn)行時(shí)其他換流站的狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化。

圖2 與風(fēng)電場(chǎng)連接的VSC-MTDC 結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of VSC-MTDC connected with wind farm

本文多端系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略有主從控制、多點(diǎn)直流電壓控制和電壓下降控制等。只要保證在電網(wǎng)故障時(shí)，控制器可以協(xié)調(diào)功率平衡并且讓系統(tǒng)重新穩(wěn)定在新的工作點(diǎn)即可，跟選用哪種控制策略沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)橹灰ＷC風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障時(shí)所發(fā)的功率能夠輸送出去，轉(zhuǎn)子側(cè)就不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流現(xiàn)象。本文采用的是基于直流電壓-有功功率調(diào)節(jié)特性的控制策略，通過(guò)直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)各換流站的有功功率輸出[18]。

根據(jù)圖2 設(shè)定VSC 換流站1 為直流電壓控制模式；VSC 換流站2 和VSC 換流站3 為有功功率模式，可以參與系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)；但是VSC 換流站4交流側(cè)連接的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和無(wú)源負(fù)載，采用定交流電壓控制模式，有功功率不可控。根據(jù)以上各換流站的運(yùn)行特性，其對(duì)應(yīng)的上層控制系統(tǒng)如圖3所示，各個(gè)換流站的參考值由上層控制器給定，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，上層控制器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 上層控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Control diagram of the upper system

3 仿真結(jié)果分析

按圖2 所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建仿真模型，其中VSC 換流站1、換流站2 和換流站3 的額定功率均為50 MW，直流母線電壓為120 kV，換流站4 采用交流電壓控制，所連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為雙饋電機(jī)，單個(gè)雙饋電機(jī)的額定功率為1.5 MW，本實(shí)驗(yàn)采用10 臺(tái)風(fēng)機(jī)在風(fēng)速15 m/s 下并聯(lián)發(fā)電，單個(gè)功率輸出為1 p.u.，因此10 臺(tái)風(fēng)機(jī)輸送電量為15 MW。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，每個(gè)換流站給定了初始值：換流站1 為直流電壓控制，給定值為1 p.u.，即120 kV；換流站2 給定值為0.5 p.u.，即發(fā)送25 MW 功率；換流站3 給定值為-1，即吸收50 MW 功率；換流站4 的給定值為1 p.u.，單相峰值電壓為55 kV，無(wú)源負(fù)載單相電阻阻值為0.9 kΩ，因此三相無(wú)源負(fù)載在此種條件下吸收大約5 MW 有功功率。其中VSC 換流站所連接的交流電網(wǎng)發(fā)生85%電壓跌落且持續(xù)0.2 s，仿真時(shí)間為1.5～1.7 s。仿真波形中，Pi（i=1，2，3）代表VSC 換流站i 的有功功率，PL為無(wú)源負(fù)載吸收的有功功率，Pw為10 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，Qw為無(wú)功功率，Udc為多端系統(tǒng)的直流電壓，Udw為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電壓。

（1）VSC 換流站2（整流站）所連交流電網(wǎng)電壓跌落。在1.5 s 時(shí)，VSC 換流站2 所連接交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，1.7s 時(shí)電壓恢復(fù)。仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 VSC 換流站2 電壓跌落各換流站狀態(tài)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)特性Fig.4 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 2

從圖4 可以看出，在1.5 s 發(fā)生故障時(shí)，VSC 換流站3 的有功功率突然升高，補(bǔ)償VSC 換流站2所減少的有功功率；并且系統(tǒng)直流電壓Udc發(fā)生了比較小的波動(dòng)，但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)并沒(méi)有影響，風(fēng)機(jī)一直保持著功率的穩(wěn)定輸出，風(fēng)機(jī)的直流側(cè)電壓也保持穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)在故障前后運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，說(shuō)明在故障時(shí)，上層控制器起到調(diào)節(jié)作用，VSC 換流站2 所連接的交流電網(wǎng)減少的有功功率的輸出完全由VSC 換流站1 所連接的交流電網(wǎng)補(bǔ)償，并沒(méi)有造成直流網(wǎng)絡(luò)的功率不平衡。1.7 s 電壓恢復(fù)，整個(gè)系統(tǒng)重新回到原運(yùn)行點(diǎn)。

（2）VSC 換流站3（逆變站）所連交流電網(wǎng)電壓跌落。在1.5 s 時(shí)，VSC 換流站3 所連接交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，1.7 s 電壓恢復(fù)。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 VSC 換流站3 電壓跌落各換流站狀態(tài)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)特性Fig.5 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 3

從圖5 可以看出，在1.5 s 發(fā)生故障時(shí)，VSC 換流站3 的有功功率突然降低，由整流狀態(tài)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，從向交流系統(tǒng)發(fā)有功功率變?yōu)槲沼泄β?；并且系統(tǒng)直流電壓Udc發(fā)生了比較小的波動(dòng)，但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)并沒(méi)有影響，風(fēng)機(jī)在故障前后運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定。說(shuō)明在故障時(shí)，上層控制器起到調(diào)節(jié)作用，VSC 換流站3 所連接的交流電網(wǎng)吸收的有功功率減小，這部分有功功率完全由VSC 換流站1 所連接的交流電網(wǎng)吸收，并沒(méi)有造成直流網(wǎng)絡(luò)的功率不平衡。1.7 s 時(shí)電壓恢復(fù)，整個(gè)系統(tǒng)重新回到原運(yùn)行點(diǎn)。

（3）VSC 換流站1（主導(dǎo)站）所連交流電網(wǎng)電壓跌落。在1.5 s 時(shí)，VSC 換流站1 所連接交流電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，1.7 s 時(shí)電壓恢復(fù)。仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 VSC 換流站1 電壓跌落各換流站狀態(tài)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)特性Fig.6 VSC station status and dynamic response of DFIG when AC voltage sag occurred in VSC station 1

從圖6 可以看出，在1.5 s 發(fā)生故障時(shí)，VSC 換流站1 的吸收的有功功率突然降低，相比于之前的2 種故障，由于主導(dǎo)站的退出，系統(tǒng)直流電壓Udc發(fā)生了比較大的波動(dòng)。但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎沒(méi)有影響，風(fēng)機(jī)在故障前后運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定。說(shuō)明在故障時(shí)，上層控制器起到調(diào)節(jié)作用，VSC 換流站1 所連接的交流電網(wǎng)發(fā)出的有功功率減小，因此VSC 換流站3 吸收的有功功率減小，并沒(méi)有造成直流網(wǎng)絡(luò)的功率不平衡。1.7 s 時(shí)電壓恢復(fù)，整個(gè)系統(tǒng)重新回到原運(yùn)行點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在單端或者兩端直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)一端所連電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)所發(fā)出的有功功率就不能及時(shí)輸送出去，如果不采取措施來(lái)消耗這部分功率，那么風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能脫網(wǎng)運(yùn)行，而這樣會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響。但是多端直流網(wǎng)絡(luò)接入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在多端系統(tǒng)控制策略調(diào)控下，當(dāng)整流站、逆變站或者主導(dǎo)站所連交流側(cè)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，各站的有功功率進(jìn)行了重新分配，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率就會(huì)順利輸送，不會(huì)造成轉(zhuǎn)子側(cè)直流電壓的升高，保證了風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此也不會(huì)出現(xiàn)低電壓穿越的問(wèn)題。

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