一種用于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高電壓穿越技術(shù)的研究

潘莞奴，謝冬梅

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧沈陽 110136）

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

針對(duì)高電壓穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）問題，主要從增加外部設(shè)備和優(yōu)化控制策略方面展開相關(guān)研究工作。文獻(xiàn)[4]提出了一種無功功率分配策略，在高電壓時(shí)優(yōu)先分配無功電流，同時(shí)增加直流卸荷電路裝置以降低直流側(cè)電壓。文獻(xiàn)[5-6]提出一種基于靜止無功補(bǔ)償器的高電壓穿越技術(shù)方案以達(dá)到補(bǔ)償電壓的目的。文獻(xiàn)[7]是根據(jù)高電壓下直流母線側(cè)功率變化，提出改進(jìn)的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。文獻(xiàn)[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(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的，對(duì)直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的研究比較單一。因此，在已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，在并網(wǎng)導(dǎo)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 高電壓穿越技術(shù)并網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定

風(fēng)電機(jī)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(duì)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(duì)于明確的高電壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括電網(wǎng)電壓驟升幅度、持續(xù)時(shí)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(fēng)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(biāo)

而近年來隨著研究的深入和技術(shù)的改進(jìn)，我國在2018 年擬定的GB/T 36995-《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》中對(duì)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(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及運(yùn)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(jī)型是多級(jí)電機(jī)與葉輪直連進(jìn)行發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浞绞?，風(fēng)輪機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)側(cè)（MSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）連著直流電容相互獨(dú)立運(yùn)行，工作在不同狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。機(jī)側(cè)變流器是根據(jù)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制輸出功率的大??；網(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(fēng)力發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 電壓驟升時(shí)的功率關(guān)系

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，整個(gè)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(yùn)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(dāng)電網(wǎng)電壓升高遠(yuǎn)超風(fēng)機(jī)輸出電壓上限時(shí)，變流器輸出功率達(dá)到上限，此時(shí)由網(wǎng)側(cè)到電網(wǎng)流過的有功電流減小，直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率潮流方向由電網(wǎng)饋入GSC 變流器，而此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率不變，使直流母線上產(chǎn)生過電壓。直驅(qū)風(fēng)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yùn)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(jī)側(cè)變流器控制策略

雙PWM變流器的機(jī)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(duì)稱的情況下，根據(jù)基爾霍夫電壓對(duì)稱電流控制定律，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在派克變換下的機(jī)側(cè)變流器在兩相d、q軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

通常，機(jī)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(fēng)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(jī)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(shí)由于故障判斷得到電壓驟升信號(hào)，所以網(wǎng)側(cè)有功功率值反饋到機(jī)側(cè)變流器，機(jī)側(cè)通過有功反饋差值來相應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終得到機(jī)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(shí)際機(jī)側(cè)輸出功率值Ps進(jìn)行做差計(jì)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(shí)和實(shí)際的輸入值進(jìn)行了比較，再經(jīng)PI積分比例調(diào)節(jié)后加上耦合電壓項(xiàng)，便可得到d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(shí)際工作需要的機(jī)側(cè)電壓開關(guān)脈沖控制信號(hào)。

圖3 機(jī)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(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)機(jī)側(cè)相同，所以它在d、q軸坐標(biāo)系中用數(shù)學(xué)的方式表達(dá)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(shí)際交流側(cè)電壓輸入值udc進(jìn)行比較，獲得電壓PI調(diào)節(jié)后的d軸電流的參考值。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至1.1 p.u或遠(yuǎn)超額定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組則需要按照電壓驟升值與額定無功補(bǔ)償電流值至少為1∶2 的原則對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行就地補(bǔ)償，則：

式中，igq為網(wǎng)側(cè)q軸無功電流為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓標(biāo)稱值；ug為并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際電壓值；IN為并網(wǎng)點(diǎn)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(shí)得到的有功電流參考值與網(wǎng)側(cè)的最大有功限值進(jìn)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(shí)其需要自動(dòng)轉(zhuǎn)換到故障運(yùn)行模式下，若自身的無功變流器補(bǔ)償容量超過電流限制，則在故障時(shí)并網(wǎng)高壓側(cè)接入靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）共同為電網(wǎng)快速恢復(fù)正常提供動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.3 直流側(cè)雙卸荷電路

對(duì)于不同程度的電壓驟升故障需要不同的控制方案，當(dāng)電壓基于理想狀態(tài)下或是電壓小幅度驟升時(shí)，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用雙PWM 變流器的控制策略即可滿足補(bǔ)償需要；而當(dāng)電網(wǎng)電壓仍大幅繼續(xù)上升且超過限值時(shí)，僅靠變流器自身無功補(bǔ)償策略已經(jīng)無法維持直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定，此時(shí)就要在網(wǎng)側(cè)并接靜止無功補(bǔ)償器，同時(shí)必須在直流側(cè)增設(shè)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(fēng)機(jī)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(dòng)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(shí)際反饋電壓值對(duì)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(dǎo)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(shí)，電阻R2、R3 的開斷信號(hào)也經(jīng)過滯環(huán)環(huán)節(jié)，同理可得。

當(dāng)直流側(cè)電壓大于額定值時(shí)，開關(guān)K1導(dǎo)通，控制電阻R1 啟動(dòng)；當(dāng)母線上達(dá)到最大電壓限值時(shí)，K1、K2 同時(shí)導(dǎo)通，控制3 個(gè)電阻同時(shí)啟動(dòng)。若此時(shí)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于0.9 p.u.或高于1.1 p.u.時(shí)，那么變流器就要配合直流側(cè)卸荷電路協(xié)調(diào)運(yùn)行，機(jī)側(cè)反饋有功差值調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)并接靜止無功補(bǔ)償器快速向電網(wǎng)補(bǔ)償無功，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，確保電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

圖7 雙模式卸荷電阻的控制結(jié)構(gòu)

5 仿真驗(yàn)證分析

基于MATLAB/Simulink 仿真模擬軟件搭建一個(gè)2.5 MW 級(jí)的永磁直驅(qū)風(fēng)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(fēng)電機(jī)組的參數(shù)

本文模擬了當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟升至1.2 p.u.時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組的持續(xù)時(shí)間為10 s，傳統(tǒng)方案下無功補(bǔ)償不足，使直流側(cè)電壓驟升幅值大，且不能在有效時(shí)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(fù)[10]，如圖8（a-c）所示。由圖8 可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓即使有輕微波動(dòng)也能趨于穩(wěn)定，直流母線電壓的波動(dòng)范圍縮小且能夠穩(wěn)定在1 120 V左右，同時(shí)網(wǎng)側(cè)與STATCOM共同補(bǔ)償近0.5 MW 的無功功率，即仿真實(shí)驗(yàn)證明該方案能夠有效提高直驅(qū)風(fēng)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(zhǔn)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(yùn)行，通過仿真測(cè)試軟件有效地驗(yàn)證了該解決方案的實(shí)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(fēng)電網(wǎng)無功恢復(fù)，提高了交流直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)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(duì)于對(duì)稱電壓穿越故障下的直流側(cè)電壓驟升幅度問題。