電網(wǎng)電壓不對稱驟升下直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越研究

周士瓊，王　倩，陳　隆，呂　瀟，劉東霖，倪亞玲

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，四川 成都　610054)

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電網(wǎng)電壓不對稱驟升下直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越研究

周士瓊1，王倩1，陳隆1，呂瀟1，劉東霖1，倪亞玲2

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031；2.電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，四川 成都610054)

為實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越，提出一種在電網(wǎng)電壓不平衡驟升工況下，基于網(wǎng)側(cè)變流器的雙重控制策略。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升超過額定電壓的設(shè)定倍數(shù)時，網(wǎng)側(cè)變流器增加無功輸出，直流母線電壓泄放電路進(jìn)行電能釋放，并且觸發(fā)正負(fù)序電流控制，有效地抑制由于電網(wǎng)電動勢不平衡造成的直流母線電壓波動。仿真結(jié)果表明，所提控制策略能夠保證在電網(wǎng)發(fā)生不對稱驟升故障期間直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不脫網(wǎng)運行。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組；不對稱驟升；正負(fù)序分離；高電壓穿越

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)中所占比例的快速增加，同時，因為風(fēng)電系統(tǒng)的波動性的特點，給電力系統(tǒng)帶了很多問題，如電壓波動、功率不平衡、諧波含量大等現(xiàn)象，都給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行埋下隱患，所以電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)要求不斷提高，不僅要求風(fēng)力發(fā)電機組能夠輸出穩(wěn)定的有功、無功功率，還要求其具備故障穿越的能力[1]。在實際運行的風(fēng)電場中，很多因素可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的驟升，例如，單相對地故障、風(fēng)電場負(fù)載的突然切除、電網(wǎng)故障恢復(fù)后未及時切除風(fēng)電場的無功補償裝置或未及時調(diào)整可調(diào)變壓器的分接頭等等。目前，針對并網(wǎng)風(fēng)電機組的高電壓穿越運行與控制，國際上某些國家已制定了相應(yīng)的運行規(guī)范。以澳大利亞制定的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越準(zhǔn)則為例[1]，其中一點要求為：當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至電網(wǎng)額定電壓的130%時，風(fēng)電機組應(yīng)至少維持60 ms不脫網(wǎng)，并能在故障期間為電網(wǎng)提供足夠大的故障恢復(fù)電流。

目前，因高電壓引起的風(fēng)機脫網(wǎng)運行現(xiàn)象已得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越作出了初步研究。文獻(xiàn)[2] 提出一種基于串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)HVRT運行控制策略。文獻(xiàn)[3]提出了對稱電壓驟升故障下 DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)有源阻尼控制策略。文獻(xiàn)[4-5]分別提出在轉(zhuǎn)子勵磁控制系統(tǒng)中采用變阻尼和虛擬阻抗的控制策略，提高了系統(tǒng)的高電壓穿越性能。文獻(xiàn)[6]則提出了通過轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的無功動態(tài)分配原則，合理地控制和分配無功，實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的高電壓穿越。文獻(xiàn)[7]提出了在并網(wǎng)點增加無功補償器，來實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越。上述文獻(xiàn)所提出的一些風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略，在一定程度上可以實現(xiàn)高電壓穿越，但都是在電壓對稱驟升的情況下并未考慮到不平衡電壓工況下的高電壓穿越，以及有效抑制直流母線電壓的波動。

對此，首先對電網(wǎng)電壓驟升下直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的網(wǎng)側(cè)變流器電流電磁暫態(tài)過程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出基于電網(wǎng)電流正負(fù)序控制策略。仿真分析表明，所提控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的高電壓穿越，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1　電網(wǎng)電壓驟升下網(wǎng)側(cè)變流器暫態(tài)分析

為消除變流器直流母線電壓波動，需要控制直流側(cè)的功率波動。不對稱故障下，對于雙饋風(fēng)電機組，變流器直流側(cè)波動功率更多來自于機側(cè)；而對于直驅(qū)式風(fēng)電機組，波動功率直接來自于網(wǎng)側(cè)。圖1為直驅(qū)式風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1　直驅(qū)式風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)示意圖

網(wǎng)側(cè)變流器和電網(wǎng)的傳輸功率為

(1)

(2)

功率振蕩可通過對電壓和電流的正負(fù)序分解分析得出：

將上述分解式帶入功率表達(dá)，可得

P=P0+Pcoscos(2ωgt)+Psinsin(2ωgt)

Q=Q0+Qcoscos(2ωgt)+Qsinsin(2ωgt)式中，系數(shù)P0、Pcos、Psin、Q0、Qcos、Qsin由如下矩陣給出[8]。

然而此時電壓不平衡時，這些系數(shù)不等于0，此時功率隨時間變化。有功功率從直流母線傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，從而決定直流母線電壓的水平。因此，若Pg發(fā)生變化，直流母線電壓也會發(fā)生脈動，且脈動以2倍電網(wǎng)頻率出現(xiàn)，威脅著變流器穩(wěn)定安全地運行，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)運行。

綜上所述，當(dāng)電網(wǎng)電壓不對稱驟升時，由于電壓電流中負(fù)序分量的存在，網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的有功功率、無功功率中均含有一定的2倍工頻波動。因此，要實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組的高電壓穿越，保持直流側(cè)電壓恒定，就要有效地抑制有功功率的波動。

2　不對稱電網(wǎng)電壓驟升情況下網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

2.1網(wǎng)側(cè)變流器雙重控制策略

為保證正負(fù)序分量的精確控制，有必要對其獨立調(diào)節(jié)。用2個新控制環(huán)代替原始控制環(huán)，一個工作于正序同步坐標(biāo)系，另一個工作于反向旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，即所謂的雙重控制[9]。

如圖2 給出了雙重控制的典型框圖。圖中有2個電流環(huán)：一個控制正序電流；一個控制負(fù)序電流。進(jìn)行電流控制之前，須將測量電流分解成正負(fù)序分量。同時，該方案還需要根據(jù)所需要的功率和電網(wǎng)電壓計算正負(fù)序電流指令值。

圖2　雙重控制框圖

運用電網(wǎng)正負(fù)序雙電流環(huán)的矢量控制策略，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，監(jiān)測和計算網(wǎng)側(cè)電壓、并網(wǎng)電流的正負(fù)序分量，電網(wǎng)電流在正負(fù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行解耦，得到正、負(fù)序電流分量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出得到控制正負(fù)序電流的調(diào)制電壓，將兩者疊加并進(jìn)行調(diào)制，完成正負(fù)序電流控制，有效地抑制直流母線電壓及并網(wǎng)有功功率的波動。通過分別控制正負(fù)序電流使其跟蹤正負(fù)序電流的參考指令值,消除輸出到電網(wǎng)有功功率的2倍工頻波動量，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；同時，通過發(fā)出無功給定值能夠調(diào)節(jié)直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，給電網(wǎng)提供無功支持[10-11]。

2.2不對稱故障時并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)優(yōu)化

電網(wǎng)不對稱驟升時，需要對正序電流、負(fù)序電流分別控制，因此對正負(fù)序電流指令值的選取非常關(guān)鍵[12]。不對稱驟升時高電壓穿越控制策略的目標(biāo)主要有以下3個：

1)消除直流電壓波動和逆變器有功功率波動，即Pcos=0，Psin=0；

2)消除無功功率波動，即Qcos=0，Qsin=0；

采用電網(wǎng)正序基波電壓定向時有vq1=0?？紤]逆變器輸出功率中的二次諧波分量，有：

由前述可知,有功功率的2倍工頻波動是導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器無法穩(wěn)定運行的直接原因,因此所提的控制策略將以消除輸出有功功率的2倍工頻波動為目標(biāo)[13]。

為保持直流電壓恒定，系數(shù)Pcos、Psin必須為0。對矩陣求逆，獲得達(dá)到此目標(biāo)所需的電流為

(4)

網(wǎng)側(cè)變換器采用式(4)計算出的電流控制指令，則傳輸至電網(wǎng)的功率將恒定且等于P0。無功功率的平均值也可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)行Q0控制，但會存在附加的交變功率。

3　風(fēng)力發(fā)電機組HVRT的實現(xiàn)

圖3給出了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的HVRT控制框圖。當(dāng)電網(wǎng)電壓低于其正常浮動上限(這里設(shè)定為 1.1 倍標(biāo)稱值)時，按照網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)定直流母線電壓；一旦檢測到電網(wǎng)電壓驟升至 1.1 倍標(biāo)稱值及以上時，變流器進(jìn)入高電壓穿越控制狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)變流器通過改變無功電流增加無功輸出，觸發(fā)正負(fù)序電流控制。然后通過提高變流器無功電流來調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)電壓、變流器交流測電壓、電抗器電壓三者形成矢量三角形。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時，由于變流器交流測電壓不能跳變，需要調(diào)節(jié)電抗器電流增大其電壓，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，實現(xiàn)了通過改變變流器無功電流來調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。

圖3　直驅(qū)式風(fēng)電機組HVRT控制流程

同時為抑制電壓驟變瞬間可能出現(xiàn)的母線電壓泵升，直流母線上并聯(lián)一直流卸荷 Chopper電路，當(dāng)直流母線電壓升高至設(shè)定觸發(fā)開關(guān)器件IGBT導(dǎo)通的限制時，觸發(fā)其導(dǎo)通，卸荷 Chopper電路開始工作，從而確保直流環(huán)節(jié)的安全[14]。

通過網(wǎng)側(cè)變流器和直流母線卸荷 Chopper電路的配合，電網(wǎng)電壓很快恢復(fù)正常。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)在正常范圍內(nèi)時，網(wǎng)側(cè)變流器恢復(fù)正?？刂?，減小無功輸出，進(jìn)行網(wǎng)側(cè)穩(wěn)壓控制。最終能夠?qū)崿F(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組高電壓穿越的暫態(tài)過渡過程。

4　仿真分析

在 Matlab/Simulink 平臺上構(gòu)建了 1 MW 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，電網(wǎng)頻率為50 Hz，直流側(cè)母線恒定電壓為560 V，來驗證所提控制策略的有效性。仿真時間為1 s，系統(tǒng)在0.4 s時發(fā)生電壓不對稱驟升故障，故障持續(xù)時間100 ms，0.5 s時故障消失。仿真條件設(shè)定為風(fēng)電場母線電壓不對稱升高為其額定值的1.3倍。

采用電網(wǎng)正常條件下直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的傳統(tǒng)矢量控制策略作為電網(wǎng)發(fā)生不對稱高電壓故障時直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，與所提出的改進(jìn)控制策略進(jìn)行對比分析。電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱驟升時，傳統(tǒng)方式下直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)HVRT仿真結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4　電網(wǎng)電壓波形

圖5　網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電流波形

從圖4可以看出，電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱驟升時，由于電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的作用，三相電流出現(xiàn)了較大的畸變；對三相電流進(jìn)行諧波分析，其中含有大量的諧波，同時三相電流的基波幅值出現(xiàn)明顯的不平衡，嚴(yán)重影響風(fēng)電機組輸出電能質(zhì)量。由于三相電流和三相電壓中負(fù)序成分的作用，逆變器輸出的有功電流和無功電流均會出現(xiàn)2倍工頻的波動。從圖6～圖8中可以觀察出，直流側(cè)母線電壓從 0.4 s 開始出現(xiàn)2倍工頻的波動。逆變器輸出電流的dq分量在穩(wěn)態(tài)時均為直流量，0.4 s后，逆變器輸出電流dq軸分量均出現(xiàn)了二次波動。從圖7得出，直驅(qū)式風(fēng)電機組的并網(wǎng)逆變器輸出到電網(wǎng)的有功功率、無功功率也以2倍工頻波動，影響直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，如果風(fēng)機并網(wǎng)點電壓驟升越高，風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)受其影響越大。因此，為保證直驅(qū)式風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生不對稱電網(wǎng)電壓驟升故障時不脫離電網(wǎng)，提高其高電壓穿越能力，須對其網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

圖6　直流母線電壓波形

圖7　變流器有功功率和無功功率波形

圖8　輸出電流 d-q 軸分量波形

如圖9～圖11所示，則給出了所提的采用正負(fù)序雙電流環(huán)矢量控制策略(雙重控制策略)結(jié)合直流側(cè)能量泄放回路的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越運行的仿真圖。其控制目標(biāo)是在故障時消除輸出有功功率的2倍工頻波動。在0.4 s～0.5 s期間，如圖9，直流母線電壓的波動得到了明顯的抑制；在圖10中，并網(wǎng)逆變器的輸出三相電流出現(xiàn)不平衡。但從圖11可以看出，網(wǎng)側(cè)變流器的輸出有功功率基本恒定，基本上沒有出現(xiàn)2倍頻率的波動，但這就導(dǎo)致了輸出電流的不平衡以及輸出無功功率以2倍頻波動。然而，這樣的故障過程是短暫的，可以忽略電流質(zhì)量問題，必須保證并網(wǎng)變流器穩(wěn)定，抑制并網(wǎng)有功功率以及直流母線電壓的波動。

圖9　直流母線電壓波形

圖10　網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電流波形

圖11　變流器有功功率和無功功率波形

由仿真結(jié)果可以看出，采用電網(wǎng)正負(fù)序雙電流環(huán)矢量控制策略，對并網(wǎng)電流的正負(fù)序分量分別控制后，當(dāng)電網(wǎng)突然發(fā)生不對稱故障時，直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)的有功功率、無功功率、并網(wǎng)點三相電流及直流側(cè)電壓經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行，并網(wǎng)有功功率的2倍工頻分量被有效抑制，而控制目標(biāo)中無法消除無功功率的2倍工頻分量。直流母線電壓經(jīng)短暫的調(diào)節(jié)后能夠運行于原來的穩(wěn)態(tài)值，其2倍工頻波動也能夠被有效抑制，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5　結(jié)　論

針對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組在不平衡電壓驟升情況下，實現(xiàn)高電壓穿越，通過對網(wǎng)側(cè)變流器的電流電磁暫態(tài)分析，提出了一種基于正負(fù)序雙電流環(huán)矢量控制策略。有效降低了當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時，系統(tǒng)故障停機，燒壞功率器件的概率。通過仿真研究表明，所提出的改進(jìn)控制策略，與實際理論相符合，可以實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的高電壓穿越，為提高電壓驟升故障下大型風(fēng)電系統(tǒng)及其所并電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行能力奠定基礎(chǔ)。

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A dual control strategy is proposed based on grid-side converter to achieve the high voltage ride through of direct-driven wind power generation system under unbalanced grid voltage swell. When the grid voltage is higher than the set multiple of rated voltage, the grid-side converter increases the reactive power output, the DC bus voltage discharge circuit releases energy and triggers the positive and negative sequence current control, which effectively suppresses the fluctuation of DC bus voltage due to the unbalanced electromotive force of the grid. Simulation results show that the proposed control strategy can guarantee the direct-driven wind power generation system is not in off-grid operation during the unsymmetrical grid voltage swell.

direct-driven wind turbine generators; unsymmetrical voltage swell; positive and negative sequence detection; high voltage ride through (HVRT)

TM613

A

1003-6954(2016)04-0062-05

2016-03-30)