潘莞奴，謝冬梅

（沈陽工程學院a.研究生部；b.電力學院，遼寧沈陽 110136）

目前，大多數(shù)風電廠采用雙饋型異步風機，而日趨增加的風電裝機容量與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，使永磁直驅(qū)風力發(fā)電機因采用全功率變流器及其自身特點有著更好的低電壓穿越能力，所以激發(fā)了學術(shù)界極大的關(guān)注與研究熱情[1-3]。但受到限制的是當機組低電壓穿越恢復正常運行后，會引發(fā)高電壓故障下的連鎖脫網(wǎng)解列現(xiàn)象。

針對高電壓穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）問題，主要從增加外部設備和優(yōu)化控制策略方面展開相關(guān)研究工作。文獻[4]提出了一種無功功率分配策略，在高電壓時優(yōu)先分配無功電流，同時增加直流卸荷電路裝置以降低直流側(cè)電壓。文獻[5-6]提出一種基于靜止無功補償器的高電壓穿越技術(shù)方案以達到補償電壓的目的。文獻[7]是根據(jù)高電壓下直流母線側(cè)功率變化，提出改進的機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。文獻[8]是由電壓驟升的特性入手，提出一種基于雙模式控制的高電壓穿越方案。目前，很多方案都是針對雙饋風力發(fā)電機的，對直驅(qū)型風機的研究比較單一。因此，在已有文獻的基礎上，在并網(wǎng)導則新規(guī)范圍內(nèi)，本文提出了一種可以根據(jù)電壓驟升幅度降低直流側(cè)電壓的高電壓穿越技術(shù)方案，并且通過軟件Matlab/Simu‐link進行仿真實驗。

1 高電壓穿越技術(shù)并網(wǎng)導則規(guī)定

風電機組的低/高電壓穿越統(tǒng)稱為故障穿越。早在很久以前國外就已經(jīng)開始了對電壓穿越技術(shù)的研究，延續(xù)至今低電壓穿越已有了成形的技術(shù)規(guī)定。但是，對于明確的高電壓穿越技術(shù)標準，包括電網(wǎng)電壓驟升幅度、持續(xù)時間和電壓適用范圍等方面，國外也僅有德國、美國、澳大利亞等主流風電國家提出，如表1所示。

表1 各國并網(wǎng)高電壓穿越技術(shù)指標

而近年來隨著研究的深入和技術(shù)的改進，我國在2018 年擬定的GB/T 36995-《風力發(fā)電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》中對HVRT 作了技術(shù)規(guī)定，如表2所示。

表2 我國高電壓穿越技術(shù)規(guī)定

2 直驅(qū)式風電機組的結(jié)構(gòu)及運行原理

PMSG 采用的是背靠背式雙PWM 三相電壓型變流器，如圖1 所示。這種機型是多級電機與葉輪直連進行發(fā)電機驅(qū)動的拓撲方式，風輪機與永磁同步發(fā)電機耦合后經(jīng)全控變流器將發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)相互匹配的直流電饋入，其中機側(cè)（MSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）連著直流電容相互獨立運行，工作在不同狀態(tài)下可實現(xiàn)能量雙向流動。機側(cè)變流器是根據(jù)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩控制輸出功率的大?。痪W(wǎng)側(cè)變流器則更側(cè)重于維持直流側(cè)電壓平衡。

圖1 直驅(qū)型風力發(fā)電機的拓撲結(jié)構(gòu)

3 電壓驟升時的功率關(guān)系

永磁直驅(qū)風力發(fā)電機在運行過程中，整個系統(tǒng)按照電壓的大小決定輸出功率的流向。由圖2所示的功率平衡關(guān)系可知，在穩(wěn)態(tài)電路運行并忽略定轉(zhuǎn)子損耗等因素的情況下，直流穩(wěn)壓電容側(cè)電壓恒定，且流經(jīng)直流側(cè)兩側(cè)的功率相等，即Pe=Ps=Pg。當電網(wǎng)電壓升高遠超風機輸出電壓上限時，變流器輸出功率達到上限，此時由網(wǎng)側(cè)到電網(wǎng)流過的有功電流減小，直接導致風機功率潮流方向由電網(wǎng)饋入GSC 變流器，而此時發(fā)電機輸出的功率不變，使直流母線上產(chǎn)生過電壓。直驅(qū)風電系統(tǒng)主控回路功率關(guān)系變?yōu)棣=其中Pneg為電網(wǎng)逆流至網(wǎng)側(cè)的功率。由于在長時間的運行情況下，直流側(cè)電容器能夠承載的功率有限，因此必須要使PMSG具備高電壓穿越能力。

圖2 PMSG的功率傳輸平衡關(guān)系

4 高電壓穿越技術(shù)方案研究

為了使永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組在高電壓故障期間，除了直流側(cè)不發(fā)生過電壓現(xiàn)象之外還能夠保持并網(wǎng)穩(wěn)定運行，這里提出了一種可以根據(jù)電壓驟升幅度降低直流側(cè)電壓的高電壓穿越技術(shù)方案。

4.1 機側(cè)變流器控制策略

雙PWM變流器的機側(cè)和網(wǎng)側(cè)結(jié)構(gòu)都是三相電壓型，在三相交流電壓為對稱的情況下，根據(jù)基爾霍夫電壓對稱電流控制定律，其拓撲結(jié)構(gòu)在派克變換下的機側(cè)變流器在兩相d、q軸坐標系下的數(shù)學表達式如下：

通常，機側(cè)變流器往往用的是雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制下的工作策略，外環(huán)的轉(zhuǎn)速輸出控制能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能跟蹤，內(nèi)環(huán)利用零d軸電流控制。在高電壓故障期間，機側(cè)依舊采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其控制策略如圖3 所示。此時由于故障判斷得到電壓驟升信號，所以網(wǎng)側(cè)有功功率值反饋到機側(cè)變流器，機側(cè)通過有功反饋差值來相應調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，最終得到機端輸出有功功率的參考值。外環(huán)將給定的有功參考值與實際機側(cè)輸出功率值Ps進行做差計算，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)之后，得到q軸電流的參考值而內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)子電流控制=0，所以將其與同時和實際的輸入值進行了比較，再經(jīng)PI積分比例調(diào)節(jié)后加上耦合電壓項，便可得到d、q旋轉(zhuǎn)坐標軸下的電壓控制輸出量uds、uqs，經(jīng)派克變換dq/abc 加上脈沖調(diào)制后，即可產(chǎn)生實際工作需要的機側(cè)電壓開關(guān)脈沖控制信號。

圖3 機側(cè)變流器的控制策略

4.2 網(wǎng)側(cè)變流器的協(xié)調(diào)控制策略

GSC 變流器的工作原理是在保持直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定的基礎上，實現(xiàn)對交流側(cè)電網(wǎng)的輸出并網(wǎng)及有功和無功功率的解耦控制。由于其結(jié)構(gòu)與發(fā)動機側(cè)相同，所以它在d、q軸坐標系中用數(shù)學的方式表達定義為

網(wǎng)側(cè)變流器控制利用的是電網(wǎng)電壓定向矢量控制，通過將電路中給定直流側(cè)電壓的參考值與實際交流側(cè)電壓輸入值udc進行比較，獲得電壓PI調(diào)節(jié)后的d軸電流的參考值。當電網(wǎng)電壓驟升至1.1 p.u或遠超額定值時，風電機組則需要按照電壓驟升值與額定無功補償電流值至少為1∶2 的原則對電網(wǎng)進行就地補償，則：

式中，igq為網(wǎng)側(cè)q軸無功電流為并網(wǎng)點額定電壓標稱值；ug為并網(wǎng)點實際電壓值；IN為并網(wǎng)點額定電流。

由如圖4 所示的網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略可以得到：網(wǎng)側(cè)逆變器容量不得超出限值，電網(wǎng)電壓不可超出最大允許電流值igmax，所以最大有功電流限值igd為

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

網(wǎng)側(cè)逆變器上的控制策略目的是能將穩(wěn)態(tài)時得到的有功電流參考值與網(wǎng)側(cè)的最大有功限值進行比較，兩者之間取一較小值作為有功電流給定不同于工作在單位功率因數(shù)下的網(wǎng)側(cè)變流器，這時其需要自動轉(zhuǎn)換到故障運行模式下，若自身的無功變流器補償容量超過電流限制，則在故障時并網(wǎng)高壓側(cè)接入靜止無功補償器（STATCOM）共同為電網(wǎng)快速恢復正常提供動態(tài)無功支撐，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 STATCOM的電路拓撲結(jié)構(gòu)

4.3 直流側(cè)雙卸荷電路

對于不同程度的電壓驟升故障需要不同的控制方案，當電壓基于理想狀態(tài)下或是電壓小幅度驟升時，永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組利用雙PWM 變流器的控制策略即可滿足補償需要；而當電網(wǎng)電壓仍大幅繼續(xù)上升且超過限值時，僅靠變流器自身無功補償策略已經(jīng)無法維持直驅(qū)風電系統(tǒng)的穩(wěn)定，此時就要在網(wǎng)側(cè)并接靜止無功補償器，同時必須在直流側(cè)增設雙卸荷電路，協(xié)調(diào)控制高電壓幅值降于穩(wěn)定值范圍內(nèi)，控制流程如圖6所示。

圖6 直驅(qū)風機高電壓穿越控制流程

雙卸荷電路工作原理如圖7 所示。電路并聯(lián)在直流電容側(cè)消耗多余能量，其中IGBT開關(guān)K1控制驅(qū)動并聯(lián)在電容兩端的電阻R1，電阻R2、R3 并聯(lián)后再與電阻R1 并接，由開關(guān)K2 控制開斷。然后根據(jù)給定的母線電壓參考值與實際反饋電壓值對比，經(jīng)過PI積分比例調(diào)節(jié)器和滯環(huán)環(huán)節(jié)控制功率器件導通占空比K。占空比控制開關(guān)的投入和切出，若K=1 則確定卸荷電阻R1 的開啟，反之亦然。與此同時，電阻R2、R3 的開斷信號也經(jīng)過滯環(huán)環(huán)節(jié)，同理可得。

當直流側(cè)電壓大于額定值時，開關(guān)K1導通，控制電阻R1 啟動；當母線上達到最大電壓限值時，K1、K2 同時導通，控制3 個電阻同時啟動。若此時檢測到并網(wǎng)點電壓低于0.9 p.u.或高于1.1 p.u.時，那么變流器就要配合直流側(cè)卸荷電路協(xié)調(diào)運行，機側(cè)反饋有功差值調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)并接靜止無功補償器快速向電網(wǎng)補償無功，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時，確保電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

圖7 雙模式卸荷電阻的控制結(jié)構(gòu)

5 仿真驗證分析

基于MATLAB/Simulink 仿真模擬軟件搭建一個2.5 MW 級的永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型[9]。其中并網(wǎng)電壓為690 V，經(jīng)過升壓變壓器與35 kV電網(wǎng)相連，具體參數(shù)如表3所示。

表3 風電機組的參數(shù)

本文模擬了當并網(wǎng)點電壓驟升至1.2 p.u.時，要求風電機組的持續(xù)時間為10 s，傳統(tǒng)方案下無功補償不足，使直流側(cè)電壓驟升幅值大，且不能在有效時間內(nèi)降至1.0 p.u。

本文所提出的基于卸荷電路的HVRT 控制方案則能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)先發(fā)出無功支撐電網(wǎng)恢復[10]，如圖8（a-c）所示。由圖8 可知，并網(wǎng)點電壓即使有輕微波動也能趨于穩(wěn)定，直流母線電壓的波動范圍縮小且能夠穩(wěn)定在1 120 V左右，同時網(wǎng)側(cè)與STATCOM共同補償近0.5 MW 的無功功率，即仿真實驗證明該方案能夠有效提高直驅(qū)風電系統(tǒng)高電壓穿越能力。

圖8 基于卸荷電阻的HVRT技術(shù)方案的仿真波形

6 結(jié)論

本文依據(jù)HVRT 技術(shù)準則，提出了一種可以根據(jù)電壓驟升幅度降低直流側(cè)電壓的高電壓穿越技術(shù)方案，并且協(xié)調(diào)變流器控制策略運行，通過仿真測試軟件有效地驗證了該解決方案的實際可行性及其正確性。相比以往的直驅(qū)型傳統(tǒng)方案，該方案是在自身無功不足的情況下外接STATCOM，快速、有效地支撐風電網(wǎng)無功恢復，提高了交流直驅(qū)型風電機組解決高電壓穿越故障問題的能力，且這里提出的解決方案僅針對于對稱電壓穿越故障下的直流側(cè)電壓驟升幅度問題。