喻俊鵬，黃峰一，胡斌

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳518055）

全功率風電系統(tǒng)高電壓穿越的仿真與實驗研究

喻俊鵬，黃峰一，胡斌

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳518055）

隨著國內(nèi)風電裝機容量的不斷增長，其對電網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響也越來越大，因此電網(wǎng)對機組的電網(wǎng)適應性要求也在不斷提高。高電壓穿越（HVRT）作為電網(wǎng)適應性要求的一部分，國外已制定相應標準，國內(nèi)雖暫時沒有展開相關(guān)測試，但相關(guān)人員已經(jīng)在研究高電壓穿越相關(guān)技術(shù)了，其要求在國內(nèi)也必將得到推廣。因此，以風電全功率變流器高電壓穿越為例，通過理論分析、仿真及實驗，揭示高電壓穿越時變流器的運行狀態(tài)，并研究其相關(guān)的控制策略。

高電壓穿越；風力發(fā)電；全功率變流器；穩(wěn)態(tài)分析

引言

過去在風電領(lǐng)域?qū)^電壓的關(guān)注度相對較少，對過電壓的應對策略研究也相對較少。但過電壓在電網(wǎng)中其實時有發(fā)生，例如電壓跌落故障清除后的電壓恢復階段、大容量電容補償器的投入、電網(wǎng)中負載的突然減小等，都可能引發(fā)過電壓［1］。因此，高電壓穿越能力其實是保證并網(wǎng)類設備可靠運行的必備能力之一。

2011年2月24日甘肅酒泉598臺風電機組從電網(wǎng)解列，274臺為低電壓時脫網(wǎng)，其余324臺為高電壓脫網(wǎng)。這次震驚國內(nèi)電網(wǎng)事故后，低電壓穿越要求被寫入了國家標準。但是，風機在電網(wǎng)過壓情況下適應問題，當時并未引起足夠的重視。

在國外，歐美、澳大利亞等各國已制定了相關(guān)高電壓穿越標準。在國內(nèi)，高電壓穿越也越來越引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注。中國電力科學研究院劉雪菁等的風電機組高電壓穿越技術(shù)研究，表明標準制定及認證機構(gòu)已經(jīng)從技術(shù)上開始關(guān)注高電壓穿越。相信不久的將來，高電壓穿越將成為對風電機組考核的重要項目。在上述背景下，研究和實現(xiàn)高電壓穿越功能已刻不容緩。

在高電網(wǎng)電壓下，變流器的壓力主要體現(xiàn)在直流母線上，網(wǎng)側(cè)電壓源型整流器VSR（voltagesource rectifier）可能無法將能量回饋到電網(wǎng)中，能量在直流母線上積累，引起直流母線電壓升高，若控制策略選擇不當，可能引起直流母線上Chopper持續(xù)動作直至過熱；或者因母線電壓過高危及半導體開關(guān)器件。如何選擇控制策略，在保證變流器安全的情況下，表現(xiàn)出好的外特性是本文的研究重點。

1　理論分析

由于全功率變流器只有網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)有電氣連接，因此高壓穿越時只需研究網(wǎng)側(cè)。網(wǎng)側(cè)電壓源型整流器VSR示意［4］如圖1所示。

圖1　三相VSR示意Fig.1 Three phases VSR schematic

對于三相交流系統(tǒng)一般采用矢量控制，將三相交流量ua、ub、uc，用復平面空間矢量來描述為

由于矢量在相對復平面旋轉(zhuǎn)，若定義一個與矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標系，則在此坐標系中，矢量的位置保持不變，這個隨矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標系即為dq坐標系。下面的分析將基于dq坐標系進行。

橋臂電流正方向定義如圖1中箭頭所示。由于發(fā)波電壓受制于母線電壓，則有

式中：vdc為直流母線電壓；vd、vq分別為dq坐標系d、q軸發(fā)波電壓；k為坐標變換引入的常量，此處分析不必去計較采用哪種常量，因此用符號代替。若采用uq=0定向，穩(wěn)態(tài)時，發(fā)波電壓表達式為

式中：ud、uq分別為dq坐標系d軸和q軸電網(wǎng)電壓，id、iq分別為dq坐標系橋臂d軸和q軸電流。將式（2）代入式（1），整理得

為分析不等式右值與id、iq的關(guān)系構(gòu)造函數(shù)，即：

并令：

則有

因此，分析f（id，iq）與id，iq的關(guān)系時，只需分別分析f1（id）與id、f2（iq）與iq的關(guān)系即可。這兩個一元函數(shù)都是開口向上的拋物線，且開口大小相同，頂點位置不同。其特點為：離對稱軸越遠函數(shù)值變化越快。f1（id）和f2（iq）的對稱軸分別為

通常情況下有RS＜＜ωLS，因此f2（iq）的對稱軸比f1（id）的對稱軸離原點遠得多，f2（iq）在原點附近的變化率比f1（id）大得多。

按實際參數(shù)：RS=0.225×10-3Ω，LS=0.06×10-3H，ud=563 V，ω=314 rad/s，繪制f1（id）、f2（iq）曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，當id、iq的在原點附近取值時，f1（id）變化較慢，f2（iq）變化較快，即iq的變化對f（id，iq）取值的影響較大，id的變化對f（id，iq）取值的影響較小。

工程上為了簡化分析，令RS=0。代入式（4），得

圖2　f1（id）、f2（iq）與id、iq的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between f1（id），f2（iq）and id，iq

由于額定電流的限制，id、iq實際應用時絕對值不能太大，且由于RS、ωLS較小，則有

進一步簡化得

通過式（10），可以得出與前述理論分析類似的結(jié)論。綜上，有以下結(jié)論：①f（id，iq）隨iq增大而增大；②f（id，iq）基本不隨id變化而變化。

參考上述結(jié)論，高電壓穿越時，若電網(wǎng)電壓ud很高，欲使不等式（4）成立，有如下兩種選擇：①iq越小越好，最好取負值，使變流器吸收無功功率；②母線電壓越高越好。上述兩種選擇，第1種符合電網(wǎng)電壓升高，要求發(fā)電設備吸收無功功率的標準要求；第2種增加變流器開關(guān)器件壓力。加強其中一種選擇，可減輕另一種的壓力，需要權(quán)衡，在確保變流器安全的情況下實現(xiàn)最優(yōu)的外特性。

2　仿真研究

參照國外標準及國內(nèi)光伏標準［2-3］，本文提出以下高電壓穿越要求，如圖3所示。從圖中可以看出，本文所提要求的包絡線均在其他所有標準之上，可完全覆蓋其他標準。

理論分析表明，在過電壓作用下，穩(wěn)態(tài)工作點可能發(fā)生變化?；诒疚乃嵋筮M行仿真，通過穩(wěn)態(tài)仿真來尋找最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工作點。

圖3　本文所提高電壓穿越要求與其他標準對比Fig.3 HVRT Requirement in this paper compared with other standards

仿真對象為全功率2.0 MW變流器，電網(wǎng)額定電壓為690 V。由于滿載高電壓穿越對母線的壓力最大，因此我們選取仿真工況：滿載2.0 MW，1.3 p.u.過電壓。

2.1仿真1

參數(shù)設置不使能Chopper動作（即不吸收有功功率），不使能無功支持（即不使變流器吸收無功功率）。穩(wěn)態(tài)仿真1波形如圖4所示。

由圖4可見，在電壓突升及恢復瞬間，母線電壓、有功功率及無功功率均受到一定的沖擊，但對瞬態(tài)過程的研究不屬于本文研究的范疇，故只關(guān)注穩(wěn)態(tài)工作點。從圖4中讀取穩(wěn)態(tài)工作點1：有功功率輸出2 MW，無功輸出0 Mvar，母線電壓1 200～ 1 225 V。

2.2仿真2

參數(shù)設置為使能Chopper動作（即允許吸收有功），但將動作電壓點設高，使其穩(wěn)態(tài)下不動作，使能無功支持（即使變流器吸收無功功率）。穩(wěn)態(tài)仿真2波形如圖5所示。

從圖5中讀取穩(wěn)態(tài)工作點2：有功輸出2.0 MW，無功輸出約-1.5 Mvar，即吸收無功功率，母線電壓1 130～1 150 V。

從上述2種仿真穩(wěn)態(tài)工作點來看，穩(wěn)態(tài)工作點2外特性是符合期望值，既沒有損失有功功率，又提供了無功功率，有利于電網(wǎng)電壓恢復，而且母線電壓也較低，實際實現(xiàn)時宜采用仿真2的策略。

圖4　穩(wěn)態(tài)仿真1波形Fig.4 Waveforms of steady-state simulation 1

圖5　穩(wěn)態(tài)仿真2波形Fig.5 Waveforms of steady-state simulation 2

3　實驗結(jié)果

本文實驗基于禾望電氣國內(nèi)最先進的電網(wǎng)適應性測試平臺進行，其測試平臺拓撲示意如圖6所示。

圖6　禾望電氣電網(wǎng)適應性測試平臺Fig.6 Grid adaptabilities test platform of hopewind electric Co.Ltd.

整個實驗系統(tǒng)由3.5 MW原動系統(tǒng)、3.5 MW雙饋發(fā)電機、電網(wǎng)模擬源AC電源、690 V/897 V/2.5 MW升壓變壓器組成。由于AC Source輸出最高電壓為759 V，因而在輸出端還串入一個DYn11的升壓變壓器使得其輸出最高電壓可以達到986 V，完全覆蓋了現(xiàn)有高電壓測試標準的需求。

本實驗采用全功率2.0 MW變流器作為被測設備。為驗證上述分析及仿真結(jié)論，此處只需選取一個工況進行對比實驗即可。實驗工況為1 MW負載下過電壓125%。

3.1實驗1

高電壓穿越無功支持使能，實驗1結(jié)果如圖7所示。圖中直流母線電壓為（實際直流母線電壓-1 000）×10后的波形。從圖7波形可以看出，高壓穿越過程中直流母線電壓穩(wěn)定在1 060 V左右，無功電流q軸分量標幺值約為-2 200，相對于高電壓穿越前的無功電流值-930，下降了1 270，即高電壓穿越期間進行了無功支持。

圖7　實驗1波形Fig.7 Waveforms of experiment 1

3.2實驗2

高電壓穿越無功支持不使能，實驗2結(jié)果如圖8所示。圖中直流母線電壓為（實際直流母線電壓-1000）×10后的波形。與圖7相比，將無功支持電流目標濾波值替換成了有功功率（kW）。從圖8可以看出，高壓穿越過程中直流母線電壓穩(wěn)定在1 145 V左右，無功支持電流q軸分量標幺值約為-1 100，相對于高電壓穿越前的無功電流值-930，下降了170，即高電壓穿越期間基本上沒有進行無功支持。

對比實驗1和實驗2的波形可看出，在無功支持作用下，直流母線電壓下降了約85 V，無功支持有利于減小母線壓力，理論分析及仿真結(jié)論一致。

圖8　實驗2波形Fig.8 Waveform of experimen t2

4　結(jié)論

（1）高電壓穿越時，要建立新的穩(wěn)態(tài)工作點，有兩種選擇：提高母線電壓和吸收無功功率。

（2）高電壓穿越時，使變流器吸收無功功率，并適當提高Chopper觸發(fā)點，能獲得較好的外特性。

［1］劉雪菁，朱丹，宋飛，等.風電機組高電壓穿越技術(shù)研究［J］.可再生能源，2013，31（11）：34～38.Liu Xuejing，Zhu Dan，Song Fei，et al.Feasibility analysis on high voltage ride-through of wind turbines［J］.Renewable Energy Resources，2013，31（11）：34～38（in Chinese）.

［2］Transpower New Zealand Ltd.Transmission system planning criteria［S］.2003：20～30.

［3］中國國家標準化管理委員會.光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定GB/T 19964-2012［S］.Standardization Administration of The People's Republic of China.Photovoltaic power station connected to power system technical standard，GB/T 19964-2012［S］.（in Chinese）.

［4］熊宇，李玉玲，陸濤濤，等.三相電壓型PWM整流器的分析和設計［J］.電源學報，2003，1（4）：545～548. Xiong Yu，Li Yuling，Lu Taotao，et al.The analysis and design of three phasees voltage soure rectifier［J］.Journal of Power Supply，2003，1（7）：545～548（in Chinese）.

Simulation and Testing Research of Wind Turbines High Voltage Ride Through

YU Junpeng，HUANG Fengyi，HU Bin
（Shenzhen Hopewind Electric Co.Ltd.，Shenzhen 518055，China）

With the increase of the capacity of wind power generation，the wind turbines may affect grid greatly. And the grid companies have proposed higher and higher grid adaptabilities for wind turbines.As one requirement of grid adaptabilities，High voltage ride through（HVRT）has become a standard in foreign countries.In our country，there has not such standard，but many researchers are，studying on this，the HVRT standard will come true soon.In this paper，using full power converter as an object of study，some researches on running states and control methods are done by theoretical analysis，simulations and tests when high voltage occurs.

high voltage ride through（HVRT）；wind turbines；full power converter；steady-state analysis

喻俊鵬

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.145

TM 921

A

喻俊鵬，男，通信作者，碩士，工程師，主要從事風力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：yujunpeng@hopewind.com。

黃峰一，男，碩士，工程師，主要從事風力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：huang fengyi@hopewind.com。

胡斌，男，碩士，工程師，主要從事風力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：hubin@ hopewind.com。

2015-11-26