一種實用的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越方案

瞿興鴻，孫素娟，陶婧嫻

（南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211006）

一種實用的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越方案

瞿興鴻，孫素娟，陶婧嫻

（南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211006）

隨著風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則對風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性、可靠性要求日益提高，研究風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越技術(shù)十分必要。提出一種基于無功支撐和硬件耗能的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越控制方案，在電網(wǎng)電壓升高到1.1倍標(biāo)幺值及以上時，一方面向電網(wǎng)中吸收無功功率；另一方面利用耗能電阻Chopper消耗直流側(cè)多余的能量以保護(hù)電機(jī)與變流器。仿真結(jié)果表明該方案能夠?qū)崿F(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越，且能夠降低機(jī)組端電壓，有利于故障電網(wǎng)的恢復(fù)。

雙饋風(fēng)電機(jī)組；高電壓穿越；無功支撐；斬波器

隨著風(fēng)電總裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例的增加，世界各國對風(fēng)電并網(wǎng)要求的不斷提高，風(fēng)電機(jī)組的不間斷運行引起了廣泛關(guān)注［1-2］。

目前，針對電網(wǎng)電壓跌落故障下的低電壓穿越技術(shù)（low voltage ride-though，LVRT）的研究已取得了一定成果［3］，而對電網(wǎng)電壓驟升下的高電壓穿越技術(shù)（high voltage ride-though，HVRT）尚未引起足夠重視。國內(nèi)暫未提出HVRT的具體標(biāo)準(zhǔn)，國際上則是由澳大利亞率先制定出正式的高電壓穿越準(zhǔn)則［4］，即當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130%時，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)維持60 ms不脫網(wǎng)，并能夠提供足夠大的故障恢復(fù)電流。德國的E.ON公司則要求在電網(wǎng)電壓升高到1.2（標(biāo)幺值）時，機(jī)組保持長時間不脫網(wǎng)穩(wěn)定運行，且電壓每升高1%，提供最少2%的無功電流［5］。文獻(xiàn)［6］從能量的角度考慮，在直流側(cè)引入Chopper回路，防止由網(wǎng)側(cè)變流器能量倒灌引起的直流母線電壓上升。文獻(xiàn)［7］對比了采用靜止無功補(bǔ)償器和動態(tài)電壓恢復(fù)器的效果，前者是通過控制注入電網(wǎng)的無功電流使得電網(wǎng)電壓下降，后者是通過補(bǔ)償故障與正常情況下的電壓差值來維持并網(wǎng)點電壓不變。以上方案由于添加了硬件，系統(tǒng)提高了成本，許多研究人員正在尋求不另增硬件的方法。文獻(xiàn)［8］對電壓驟升故障下雙饋電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行了分析和公式推演，提出了變阻尼的改進(jìn)控制方案。文獻(xiàn)［9］在分析虛擬電阻控制的不足的基礎(chǔ)上引入虛擬電感，形成在高低頻部分均有較強(qiáng)抑制作用的虛擬阻抗改進(jìn)控制策略。

本文從降低電網(wǎng)電壓，幫助故障系統(tǒng)快速恢復(fù)的角度考慮，在電網(wǎng)電壓升高期間向電網(wǎng)注入感性無功電流，同時，利用直流Chopper電路來消耗多余的能量，保護(hù)變流器硬件，最終實現(xiàn)HVRT。

1　高電壓期間雙饋變流器無功控制

造成電壓升高的原因是系統(tǒng)的無功過剩［10］，若在電網(wǎng)電壓升高期間使雙饋風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)注入一定的感性無功電流，便可降低電網(wǎng)電壓，起到幫助故障電網(wǎng)快速恢復(fù)的作用。

本節(jié)將重點分析電壓驟升期間轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流給定方法，實現(xiàn)定子與網(wǎng)側(cè)變流器同時對電網(wǎng)提供感性無功支撐。

1.1網(wǎng)側(cè)變流器無功電流的給定

假定網(wǎng)側(cè)變流器的電流正方向為流出電網(wǎng)，則網(wǎng)側(cè)變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)電壓方程可以表示為

式中：egd，egq為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量；igd，igq為網(wǎng)側(cè)變流器的d，q軸輸入電流；Rg，Lg分別為網(wǎng)側(cè)變流器的進(jìn)線電阻、進(jìn)線電感；Vgd，Vgq為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)輸出電壓的d，q軸分量。

在d-q坐標(biāo)系中采用電網(wǎng)電壓d軸定向，有esd=Us，esq=0（Us為電網(wǎng)相電壓幅值，坐標(biāo)變換采用等幅變換），忽略進(jìn)線電阻Rg，式（1）可簡化為

對于SVPWM調(diào)制方式，為了滿足電壓不發(fā)生過調(diào)制，網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓矢量的最大值Vgmax需滿足以下關(guān)系式［11］：

即調(diào)制比m有如下約束條件：將式（2）代入式（4）中可得

直流母線電容的正常工作電壓為1 100 V，由式（5）可以看出，在電網(wǎng)電壓正常時，能夠滿足式（5）所示的關(guān)系。而當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至正常情況下的1.3倍時，若網(wǎng)側(cè)變流器仍運行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，則式（5）不滿足。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時，為了確保變流器硬件的安全穩(wěn)定運行，考慮讓網(wǎng)側(cè)變流器吸收一定的無功電流，即igq＜0。

由式（5）可得網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流應(yīng)滿足：

由于（-ωLgigd）2遠(yuǎn)小于Ud2c/3，因此變流器輸出有功電流對無功吸收能力的影響較?。?2］，網(wǎng)側(cè)變流器吸收的無功電流主要受到電壓驟升幅度的影響。式（6）可簡化為

同時，為了滿足總電流小于最大允許電流值igmax，無功電流的幅值應(yīng)受限，即

1.2轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無功電流的給定

考慮最大限度利用雙饋發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的無功支撐能力，需要定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)同時向電網(wǎng)吸收無功。假定定子電流定向采用發(fā)電機(jī)慣例，則定子向電網(wǎng)吸收無功時，isq＞0。

定子側(cè)無功電流給定值的計算，需要兼顧轉(zhuǎn)子側(cè)變流器及雙饋電機(jī)短時耐受最大電流。

定子無功電流應(yīng)滿足

式中：ismax為定子電流的最大允許值。

變流器無功電流應(yīng)滿足

式中：k為DFIG匝比；im為DFIG空載勵磁電流（折算到轉(zhuǎn)子側(cè)）。

聯(lián)立式（10）、式（11），可得

式中：irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器最大允許電流。

根據(jù)雙饋電機(jī)的T型等效模型，定轉(zhuǎn)子有功無功電流存在以下近似等效關(guān)系

根據(jù)式（9）、式（12）可以確定定子無功電流給定值的范圍

式中：isqmax為定子無功電流最大允許值。

綜上，式（7）、式（8）、式（13）即為電網(wǎng)電壓升高時網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器提供無功電流的依據(jù)。

圖1為高電壓期間無功支撐的控制策略框圖。

圖1　HVRT期間無功支撐控制策略Fig.1　Control strategy of reactive power support during HVRT

2　直流側(cè)Chopper電路

當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時，電壓通過網(wǎng)側(cè)變流器的二極管沖到直流側(cè)。同時，雙饋發(fā)電機(jī)定子端電壓發(fā)生突變，而根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，定子磁鏈不能突變，因而會感?yīng)出1個暫態(tài)直流分量。該分量的存在將引起電機(jī)定子電流的增大，又因電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)耦合關(guān)系，轉(zhuǎn)子電流也會增加，進(jìn)而導(dǎo)致變流器直流側(cè)電壓升高。在直流側(cè)增加Chopper電路［13］，系統(tǒng)正常工作時Chopper不投入運行，而當(dāng)直流電壓升高時，投入Chopper以消耗多余的能量，該電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，其電路圖如圖2所示，在直流側(cè)并聯(lián)全控開關(guān)和耗能電阻。

圖2　直流Chooper電路圖Fig.2　DC Chopper circuit

直流Chopper的控制，選取直流鏈電壓作為直流Chopper投入和切除的主要信號，切除的門限值要略高于直流鏈的電壓閉環(huán)給定值，以防止系統(tǒng)陷入死鎖。

3　仿真分析

為驗證上文所提的基于無功支撐和硬件泄能的DFIG風(fēng)電機(jī)組HVRT控制策略，在Matlab/ Simulink平臺下搭建1臺2.1 MW的DFIG機(jī)組進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線電感為0.28 mH，直流側(cè)電容為25 mF，直流母線電壓為1 100 V；雙饋異步發(fā)電機(jī)容量為2.1 MW，額定電壓為690 V，定子電阻為0.001 8Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.001 5Ω，定子電感為70.67 μH，轉(zhuǎn)子電感為124 μH，激磁電抗為3.57 mH。

圖3HVRT期間常規(guī)控制下的仿真波形Fig.3　Simulation waveforms of normal control during HVRT

圖3為電網(wǎng)電壓升高時DFIG系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)且不投入Chopper時的仿真波形。如圖3a所示，0.95 s時電網(wǎng)電壓上升至1.3（標(biāo)幺值），高電壓持續(xù)時間為150 ms。電網(wǎng)電壓驟升下為保證磁鏈的連續(xù)性，定子磁鏈中將感應(yīng)出一個暫態(tài)分量，反應(yīng)到定子電流中如圖3b所示，定子電流存在一個衰減的暫態(tài)電流分量。圖3c和圖3d為網(wǎng)側(cè)變流器的輸出電壓和輸出電流，由圖可見，輸出電壓過調(diào)制嚴(yán)重，輸出電流亦嚴(yán)重畸變。且在電壓恢復(fù)時，輸出電流有1個接近1 500A的波峰，將對網(wǎng)側(cè)變流器中的IGBT器件產(chǎn)生較大的危害。圖3e為直流母線電壓波形，高電壓發(fā)生期間，直流電壓在1 200 V左右，危害直流母線電容及電力電子器件的安全，而在1.1 s故障恢復(fù)時，直流電壓跌落至900 V左右。

圖4為電網(wǎng)電壓升高時，由雙饋電機(jī)和網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)提供無功支撐時的仿真結(jié)果。如圖4f、圖4g所示，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制雙饋電機(jī)向電網(wǎng)注入1 Mvar的感性無功功率，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)注入1.15 Mvar的感性無功功率。此時，圖4a所示的DFIG定子側(cè)電壓從1.3（標(biāo)幺值）下降到1.24（標(biāo)幺值），有利于故障電網(wǎng)的快速恢復(fù)。而網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的過調(diào)制情況大幅緩解，三相輸出電流幅值在允許范圍內(nèi)。直流母線電壓在電壓升高后的0.02 s內(nèi)會出現(xiàn)1個1 280 V的電壓沖擊，且在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，直流電壓的最大值約為1 400 V，因此，考慮采用Chopper來抑制直流電壓，保護(hù)母線電容及電力電子器件。

圖4　HVRT期間基于無功支撐的仿真波形Fig.4　Simulation waveforms based on reactive power support during HVRT

圖5為電網(wǎng)電壓升高至1.3（標(biāo)幺值）時，在雙饋電機(jī)和網(wǎng)側(cè)變流器提供無功支撐的基礎(chǔ)上，投入Chopper泄能時的仿真結(jié)果。如圖5e所示，Chopper的投入使得直流母線電壓控制在1 170 V以下，防止直流電壓上升導(dǎo)致變流器硬件損壞。

圖5　HVRT期間基于無功支撐和硬件耗能的仿真波形Fig.5　Simulation waveforms based on reactive power support and energy-consuming of hardware during HVRT

4　結(jié)論

本文提出了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓驟升期間的HVRT控制方案。一方面，利用雙饋電機(jī)和網(wǎng)側(cè)變流器在不超過其最大耐受電流的情況下盡可能地吸收無功功率，保護(hù)硬件設(shè)備并減輕高電壓對電網(wǎng)的影響；另一方面，為了防止直流電壓的上升導(dǎo)致直流母線電容及電力電子設(shè)備損壞，投入Chopper來消耗多余的能量，降低直流電壓以保護(hù)硬件。且本文所提的控制策略已在廠內(nèi)完成地面測試，為現(xiàn)場HVRT策略的使用提供了理論與實踐依據(jù)。

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Applied Method of High Voltage Ride-through for Doubly-fed Wind Power Generation Systems

QU Xinghong，SUN Sujuan，TAO Jingxian
（NARI Group Corporation，Nanjing 211006，Jiangsu，China）

With the improvement of stability and reliability requirements for wind power generation systems in wind turbine grid guidelines，the study of the high voltage ride through technologies of wind turbines is necessary.A high voltage ride through control strategy with reactive power support and energy-consuming hardware was put forward.When the grid voltage rose to 1.1 p.u.or above 1.1 p.u.，on one hand，the doubly-fed converter absorbed reactive power from the grid.On the other hand，the Chopper resistance consumed excess energy on the DC side to protect the generator and the converter.The simulation results show this strategy can achieve high voltage ride through of the double-fed wind turbine，and also reduce the terminal voltage，which benefits for the fault recovery of power grid.

doubly-fed wind power generation systems；high voltage ride-though；reactive power support；chopper

TM743

A

2015-07-20

修改稿日期：2016-02-20

國家電網(wǎng)公司科技項目（524608130103）

瞿興鴻（1983-），男，碩士，工程師，Email：quxinghong@sgepri.sgcc.com.cn