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        永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組HVRT功能開發(fā)及其檢驗(yàn)

        2016-05-22 07:18:20艾斯卡爾朱永利王海龍
        電力自動(dòng)化設(shè)備 2016年12期
        關(guān)鍵詞:卸荷變流器過電壓

        艾斯卡爾 ,朱永利 ,王海龍

        (1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003;2.新疆金風(fēng)科技股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830026)

        0 引言

        受環(huán)保問題和節(jié)能減排政策的推動(dòng),風(fēng)電等可再生綠色能源越來越受到重視,對風(fēng)能大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用的需求也一直在快速增長。但風(fēng)是一種可控性較差的能源,其并網(wǎng)友好性問題一直是業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)研究課題。

        隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加,尤其是風(fēng)電大規(guī)模集中接入電網(wǎng),風(fēng)電所起到的作用也變得越來越重要。與此同時(shí),風(fēng)電與電網(wǎng)間的相互影響也變得越來越明顯,尤其是風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)故障的抵御能力已引起專業(yè)人員的重視[1]。

        過去,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),風(fēng)電機(jī)組因自身安全原因,一般都會(huì)自動(dòng)與電網(wǎng)解列。由于當(dāng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小,這種自動(dòng)解列不會(huì)造成電網(wǎng)的安全/穩(wěn)定性問題。目前,風(fēng)電在電網(wǎng)中的占比已經(jīng)達(dá)到較高的水平,若風(fēng)電機(jī)組還不具備一定的電網(wǎng)故障抵御能力,一遇到電網(wǎng)故障就自動(dòng)解列,則會(huì)增加局部電網(wǎng)故障的恢復(fù)控制難度,惡化電網(wǎng)安全穩(wěn)定性,甚至?xí)觿」收?、引起連鎖反應(yīng)并導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[2-5]。

        因此,為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,各國的電網(wǎng)部門根據(jù)自身實(shí)際情況對風(fēng)電場的電力接入提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求[6]。其中,風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越 HVRT(High-Voltage Ride-Through)技術(shù)被公認(rèn)是最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一,逐漸成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

        本文圍繞永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組PMSG(Permanent Magnet Synchronous wind turbine Generator)的 HVRT技術(shù)問題,研究了已有的相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]和當(dāng)今世界主流市場風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程和相關(guān)報(bào)告[10-17],探討了PMSG在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)的暫態(tài)特性[18-22];然后,結(jié)合實(shí)際PMSG系統(tǒng),提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)HVRT功能的控制方法;最后,在PSCAD環(huán)境下搭建了仿真模型,并進(jìn)行了仿真分析和現(xiàn)場測試,結(jié)果表明所提方法能夠有效提高PMSG的HVRT能力。

        1 各國HVRT技術(shù)要求

        通過對各國并網(wǎng)規(guī)程的分析研究可知,風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿足的HVRT技術(shù)指標(biāo)主要有如下幾項(xiàng)。

        1.1 過電壓類型

        對于風(fēng)電機(jī)組需要穿越的過電壓故障類型而言,各國并網(wǎng)規(guī)程規(guī)定的對應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組HVRT功能的過電壓類型有工頻過電壓(電網(wǎng)過電壓的正序分量)、操作過電壓或諧振過電壓,如約旦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過電壓類型包括了工頻過電壓和操作過電壓。

        1.2 過電壓幅值及其持續(xù)時(shí)間

        一般而言,并網(wǎng)規(guī)程會(huì)規(guī)定:并網(wǎng)點(diǎn)電壓持續(xù)x s不超過y p.u.時(shí)機(jī)組不應(yīng)脫網(wǎng),并保持連續(xù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。如澳大利亞NER標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.3 p.u.時(shí)至少工作 60 ms,并網(wǎng)點(diǎn)電壓在 1.1~1.3 p.u.期間至少工作900ms。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963—2011對風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力并沒有明確規(guī)定,只提出“當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過額定電壓的110%時(shí),HVRT特性由風(fēng)電機(jī)組的性能確定”。

        1.3 HVRT期間風(fēng)電機(jī)組功率控制要求

        風(fēng)電機(jī)組功率控制要求包括HVRT期間的有功功率和無功功率控制。如德國E.ON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓升至 1.2 p.u.時(shí),風(fēng)電機(jī)組應(yīng)在 1.1~1.2 p.u.期間吸收一定的無功功率。

        1.4 其他指標(biāo)

        為了使風(fēng)電機(jī)組具備針對電網(wǎng)過電壓故障的抵御能力(HVRT能力),各國并網(wǎng)規(guī)程應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組的過電壓故障判斷速度、HVRT頻次等其他指標(biāo)提出技術(shù)要求。目前,各國并網(wǎng)規(guī)程對這些問題都沒有明確規(guī)定。因此,風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力的技術(shù)開發(fā)只能參照風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

        可見,各國風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程針對風(fēng)電機(jī)組的HVRT要求主要有:(1)過電壓幅值及其持續(xù)時(shí)間;(2)過電壓故障類型;(3)過電壓期間風(fēng)電機(jī)組的有功/無功控制方式。

        表1匯總了各國并網(wǎng)規(guī)程HVRT技術(shù)要求(細(xì)則可以查看并網(wǎng)規(guī)程原文)。

        表1 世界主流市場風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的HVRT技術(shù)要求Table 1 Technical requirements of HVRT stipulated in grid-connection codes for wind farm by different contries

        2 PMSG的HVRT暫態(tài)特性

        PMSG主回路拓?fù)淙鐖D1所示。

        圖1 PMSG主回路拓?fù)鋱DFig.1 Main circuit topology of PMSG system

        從圖1可知,發(fā)電機(jī)經(jīng)過AC-DC-AC全功率變流器與電網(wǎng)相連,發(fā)電機(jī)輸出側(cè)與風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)已被頻率/電壓解耦,因此機(jī)組的HVRT等并網(wǎng)特性主要與電網(wǎng)側(cè)變流器有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓驟升時(shí),注入電網(wǎng)的潮流方向?qū)⒏淖儯娋W(wǎng)將向風(fēng)電機(jī)組注入一定的逆向能量。另外,在HVRT期間,按照PMSG設(shè)計(jì)理念,機(jī)組變槳系統(tǒng)不工作,從發(fā)電機(jī)注入變流器的功率大小不發(fā)生變化。因此,在變流器整流側(cè)注入的能量和電網(wǎng)側(cè)變流器逆向能量的疊加作用下,變流器直流電壓會(huì)急劇上升。可見,直流側(cè)過電壓是因直流回路輸入、輸出能量的不平衡引起,如果直流回路的多余能量沒能得到轉(zhuǎn)移或消耗,則會(huì)導(dǎo)致直流電容的損壞,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

        3 PMSG的HVRT功能開發(fā)

        3.1 PMSG的HVRT解決方案基本思路

        HVRT期間PMSG的能量平衡關(guān)系如圖2所示。

        圖2 PMSG系統(tǒng)在HVRT運(yùn)行時(shí)的能量平衡關(guān)系Fig.2 Energy balance of PMSG system during HVRT

        從圖2可知,PMSG在HVRT期間的主回路功率平衡關(guān)系可用式(1)表示。

        其中,Pgen為發(fā)電機(jī)輸出有功功率;Pgrid為PMSG注入電網(wǎng)的有功功率;Pneg為電網(wǎng)注入PMSG的逆向有功功率;Pdc為直流母線有功功率;PR為直流側(cè)卸荷電阻所消耗的有功功率;Udc為直流側(cè)電壓;Idc為直流側(cè)電流。

        從式(1)可知,Pdc能承載的功率是一定的,因?yàn)橹绷鱾?cè)電容能儲(chǔ)存的功率是一定的。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)高電壓時(shí),由于Pgrid的減少和逆向功率Pneg的存在,式(1)所示的平衡關(guān)系會(huì)被破壞。因此,為了保證直流電壓處于允許范圍內(nèi),并使PMSG具備HVRT能力,可使用以下3種方法。

        (1)減少 Pgen。

        因變槳系統(tǒng)速度問題很難快速減少Pgen,無法實(shí)現(xiàn)式(1)所示的功率平衡關(guān)系。另外,按照PMSG設(shè)計(jì)理念,為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障對傳動(dòng)系統(tǒng)的零機(jī)/電暫態(tài)沖擊,不推薦使用快速變槳技術(shù)。

        (2)減少 Pneg或增加 Pgrid。

        因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)過電壓通常是由電網(wǎng)的暫態(tài)行為引起的,且因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)過電壓引起的逆向潮流的存在,Pneg無法避免,Pgrid也很難增加,故該方法不可行。

        (3)把剩余Pdc快速轉(zhuǎn)移或消耗掉。

        該方法實(shí)際上就是通過加裝額外設(shè)備消耗/轉(zhuǎn)移直流環(huán)節(jié)中的多余能量,從而使Pdc始終處在正常直流電壓所對應(yīng)的功率范圍內(nèi)。

        可見,方案3是比較可行的方法。

        3.2 PMSG低成本HVRT實(shí)現(xiàn)方法

        在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,使d軸定向于電網(wǎng)電壓向量,則逆變器的數(shù)學(xué)模型可以表示為:

        其中,ud、uq分別為逆變器輸出側(cè)電壓d、q軸分量;Ls、Rs分別為輸出側(cè)電感和電阻;Ns為電磁轉(zhuǎn)速;id、iq分別為逆變器電流d、q軸分量;usd為電網(wǎng)電壓d軸分量。

        同理,功率方程推導(dǎo)如下:

        其中,Qgrid為機(jī)組注入電網(wǎng)的無功功率。

        與式(2)和式(3)對應(yīng)的機(jī)組電網(wǎng)側(cè)逆變器和直流Chopper回路的HVRT控制框圖如圖3所示。

        圖3 PMSG系統(tǒng)的HVRT控制原理Fig.3 Schematic diagram of HVRT control for PMSG system

        圖3中,UABC為機(jī)組電網(wǎng)側(cè)三相電壓;IABC為機(jī)組電網(wǎng)側(cè)三相電流;Idref為有功電流給定值;Iqref為無功電流給定值;Udcref為直流母線電壓給定值;Qref為外部無功功率控制指令;θ為電網(wǎng)側(cè)電壓的相位角。

        從圖3可知,在正常運(yùn)行模式下,運(yùn)行模式控制器按照UABC信號(hào)對運(yùn)行模式進(jìn)行判斷。若機(jī)端電壓在 0.9~1.1 p.u.之間,則進(jìn)入正常運(yùn)行模式。 此時(shí),Iqref的計(jì)算按Qref執(zhí)行,Idref的計(jì)算按照Udcref執(zhí)行。Qref的最大值按照式(4)計(jì)算獲得,并用于限幅環(huán)節(jié),實(shí)際值由風(fēng)電場無功功率管理系統(tǒng)下發(fā)。在正常工作模式下,直流Chopper電路不工作。

        其中,SN為視在功率;PN為額定功率。

        若機(jī)端電壓大于 1.1 p.u.,則進(jìn)入 HVRT 運(yùn)行模式。此時(shí),無功電流的控制優(yōu)先級最高,因此先按照式(5)來確定Iqref。為了有效支撐電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù),需要盡量提高Iqref;同時(shí),應(yīng)把Idref限制到比較小的值。

        其中,Imax為變流器最大允許電流;Id為變流器實(shí)測電流的d軸分量。

        3.3 硬件升級及技術(shù)方案驗(yàn)證

        至于在硬件上的技術(shù)升級方案而言,本文工作對現(xiàn)有系統(tǒng)的Chopper電路進(jìn)行了評估,并對Chopper電路中的卸荷電阻進(jìn)行了升級。其中,目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組為由金風(fēng)科技研制的2.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組,電網(wǎng)側(cè)額定電壓為690 V。Chopper電路由兩路制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。對單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)而言,選取直流側(cè)額定電壓為1050 V,選取直流側(cè)最高電壓為1150 V,選取前置IGBT最大電流為1600 A,選取單個(gè)卸荷電阻額定能耗能力為1600 kW(因?yàn)樾枰紤]HVRT過程中的逆向潮流,兩路制動(dòng)系統(tǒng)額定能耗能力合計(jì)為3200 kW)。卸荷電阻最新取值可通過式(6)計(jì)算獲得。

        其中,Umax為變流器直流過電壓保護(hù)整定值;IRmax為卸荷電阻前置IGBT過電流保護(hù)整定值;Pmax為卸荷電阻需要消耗的功率最大值。

        通過式(6)可知,卸荷電阻取值范圍為0.72~0.83 Ω。通過計(jì)算機(jī)仿真分析和實(shí)驗(yàn)室測試修正后最終取值為 0.75 Ω。

        為了驗(yàn)證該方法的有效性,在PSCAD環(huán)境下搭建了風(fēng)電場-無窮大系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真模型,如圖4所示。仿真模型中的風(fēng)電場由1臺(tái)金風(fēng)科技2.5 MW級PMSG構(gòu)成。仿真模型中設(shè)計(jì)的電壓驟升發(fā)生器能夠模擬各種電網(wǎng)側(cè)過電壓。同時(shí),為了驗(yàn)證該方法在工程上的可實(shí)用性,按照計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,在現(xiàn)場也進(jìn)行了實(shí)際測試。計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場測試參數(shù)都按照表2執(zhí)行(參照 IEC61400-21—2008[22])。

        圖4 仿真和現(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果Fig.4 Results of simulation and site test

        表2 PMSG機(jī)組HVRT仿真/實(shí)測參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter of HVRT during simulation and site test

        計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場測試結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5所示,圖中縱軸數(shù)據(jù)均為標(biāo)幺值。

        從圖5(a)和圖5(b)可知,在電網(wǎng)電壓升至1.15 p.u.并持續(xù) 20 s的 HVRT 運(yùn)行期間,無功功率和無功電流均增加到 1.5p.u.,較好地支撐了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。另外,從圖5(a)和圖5(b)的比較分析可知,仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)比較吻合。

        從圖5(c)、(d)可知,在電網(wǎng)電壓升至 1.25 p.u.并持續(xù)0.2 s的HVRT運(yùn)行期間,有功功率的減少幅度非常明顯;無功功率和無功電流均增加到1.7 p.u.,較好地支持了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。另外,從圖5(d)可知,在實(shí)際測試過程中,風(fēng)電機(jī)組并沒有因電網(wǎng)側(cè)電壓的驟升而停機(jī),而是順利穿越了電網(wǎng)側(cè)過電壓,完成了HVRT運(yùn)行過程。

        從圖5(e)和圖5(f)可知,在電網(wǎng)電壓升至1.3 p.u.并持續(xù)0.2 s的HVRT運(yùn)行期間,風(fēng)電機(jī)組維持了聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率和無功電流均增加至接近1.8 p.u.。

        從以上分析可知,計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)非常吻合,本文所提技術(shù)升級方案有效提高了PMSG的HVRT能力。

        圖5 計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果數(shù)據(jù)Fig.5 Results of simulation and site test

        4 結(jié)論

        風(fēng)電場集中接入弱電網(wǎng)會(huì)降低電網(wǎng)的安全穩(wěn)定裕度。在較高的風(fēng)電比重下,如何提高風(fēng)電機(jī)組的故障抵御能力將會(huì)引起業(yè)內(nèi)人士更大的關(guān)注度。其中,風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)側(cè)過電壓時(shí)的HVRT功能已成為行業(yè)內(nèi)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

        本文所提PMSG的HVRT技術(shù)方案,在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)主回路硬件配置的情況下,通過卸荷電阻的升級和相關(guān)控制環(huán)節(jié)的優(yōu)化升級,實(shí)現(xiàn)了PMSG較好的HVRT功能。同時(shí),該技術(shù)方案通過了現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證,技術(shù)改造所需的硬件成本低,工程上易于實(shí)現(xiàn),可作為PMSG的HVRT技術(shù)升級方案。此外,本文歸納了中外并網(wǎng)規(guī)程HVRT技術(shù)要求,具有一定的參考價(jià)值。

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