直驅(qū)風(fēng)電并網(wǎng)變流器的低電壓穿越技術(shù)研究

摘要：風(fēng)力發(fā)電作為可再生清潔能源的一種，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)中所占比重不斷增加，而風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力密切影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)針對(duì)直驅(qū)型全功率風(fēng)電變流器，在增加chopper電路及改進(jìn)原有控制策略的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了變流器的低電壓穿越功能以及對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐;并開(kāi)發(fā)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的有效性和合理性。

關(guān)鍵詞：直驅(qū);低電壓穿越;chopper;無(wú)功支撐

0 ? ?引言

在環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，并且大力提倡節(jié)能減排的形勢(shì)下，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生清潔能源，在能源產(chǎn)業(yè)中所占比重逐年攀升[1]。在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的同時(shí)，也需要解決好風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題，以免對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須具備低電壓穿越（LVRT）能力[2]。關(guān)于風(fēng)電機(jī)組LVRT問(wèn)題，風(fēng)電主流國(guó)家相繼制定了符合自身發(fā)展的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程，提出了相應(yīng)的LVRT技術(shù)要求[3]。而國(guó)內(nèi)也根據(jù)自身實(shí)際情況制定了相對(duì)應(yīng)的LVRT技術(shù)要求[4]。

1 ? ?并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型及控制策略

對(duì)于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電而言，機(jī)組通過(guò)網(wǎng)側(cè)逆變器與電網(wǎng)連接，網(wǎng)側(cè)及機(jī)側(cè)變流器可通過(guò)頻率及電壓解耦，電網(wǎng)電壓的突降并不會(huì)對(duì)永磁發(fā)電機(jī)及機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生直接影響。因此，全功率變流器的拓?fù)鋱D可簡(jiǎn)化為如圖1所示。

采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)，將電網(wǎng)電壓矢量es定在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸上，則可得ed=e，eq=0。建立網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為：

ud=-Rid-L+ωgLiq+e ? ? ? ? ?（1）

uq=-Rid-L-ωgLid ? ? ? （2）

C=-idc ? （3）

由式（1）（2）可知，引入狀態(tài)反饋ωgLiq與-ωgLid可實(shí)現(xiàn)有功電流id與無(wú)功電流iq解耦，控制id即為控制有功功率，同樣通過(guò)控制iq即可控制無(wú)功功率。而由式（3）可知對(duì)直流側(cè)電壓的控制同樣也可以通過(guò)對(duì)id的控制來(lái)完成，因此，將PI控制器引入式（3）即可獲得合適的有功電流指令id*。

因此，并網(wǎng)逆變器控制策略采取獨(dú)立有功、無(wú)功控制。其中，有功通道外環(huán)控制直流電壓、內(nèi)環(huán)控制注入電網(wǎng)有功電流;而無(wú)功通道內(nèi)環(huán)控制注入電網(wǎng)的無(wú)功電流，外環(huán)控制注入無(wú)功功率的大小?？刂瓶驁D如圖2所示。

2 ? ?低電壓穿越及動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，并網(wǎng)變流器為了保持輸出功率恒定而使并網(wǎng)電流迅速增大。當(dāng)達(dá)到允許最大電流時(shí)，由于機(jī)側(cè)功率保持恒定輸出，而網(wǎng)側(cè)輸出功率因電網(wǎng)電壓的跌落而大幅下降，這將導(dǎo)致直流側(cè)輸入及輸出功率的不平衡，直流母線電壓將迅速增加。變流器直流側(cè)的功率平衡方程式為：

Pgen-Pgrid+Pneg=UdcC ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由式（4）可知，為保持直流母線電壓穩(wěn)定，可采用增加電容容量、降低發(fā)電機(jī)出力、在直流側(cè)并聯(lián)卸荷電路等方法。在考慮生產(chǎn)成本及安裝難度的情況下，通過(guò)在直流側(cè)并聯(lián)chopper電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多余能量的吸收，以保持直流母線電壓的穩(wěn)定，如圖3所示。對(duì)chopper電路開(kāi)關(guān)器件的控制，采用直流側(cè)電壓的滯環(huán)控制方式，設(shè)定直流側(cè)電壓上限Udcmax=1 150 V，比較直流電壓Udc與Udcmax，當(dāng)Udc>Udcmax時(shí)，PWM信號(hào)觸發(fā)chopper電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，此時(shí)卸荷電阻通過(guò)開(kāi)關(guān)器件接入直流側(cè)，直流電容上多余的能量將通過(guò)卸荷電阻消耗。

除低電壓穿越能力以外，標(biāo)準(zhǔn)中同樣要求了風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有無(wú)功電流輸出能力以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。而對(duì)于電網(wǎng)的快速無(wú)功支撐技術(shù)，是通過(guò)在原有控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，重新對(duì)無(wú)功電流和有功電流的參考值進(jìn)行分配實(shí)現(xiàn)的。在原有無(wú)功通道上增加了一個(gè)電網(wǎng)電壓外環(huán)，其中無(wú)功電流參考值iq*由電網(wǎng)電壓外環(huán)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到，并通過(guò)式id*=對(duì)有功電流參考值進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果代入有功電流計(jì)算通道，作為限幅值用于控制有功電流?？刂瓶驁D如圖4所示。

3 ? ?試驗(yàn)結(jié)果

按上述控制策略制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并網(wǎng)變流器總?cè)萘?.5 MW，電網(wǎng)側(cè)電壓690 V，卸荷電阻阻值按最大容量設(shè)計(jì)，直流側(cè)電壓最大值Udcmax設(shè)定為1 150 V。在東方風(fēng)電公司電網(wǎng)適應(yīng)性試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了低電壓穿越試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為帶載100%，試驗(yàn)波形如圖5、圖6所示。

圖5、圖6分別為電網(wǎng)電壓在50%、20%兩種不同跌落深度下的試驗(yàn)波形，每個(gè)波形圖從上到下信號(hào)波形分別為：電網(wǎng)三相電壓Uabc、并網(wǎng)三相電流Iabc、直流母線電壓Udc和注入電網(wǎng)無(wú)功功率Q。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，采用文中所述控制策略，變流器能適應(yīng)電網(wǎng)電壓跌落的各種工況，而直流母線電壓Udc始終保持在設(shè)定最大值Udcmax1 150 V以下，并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓跌落期間不脫網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，并能按國(guó)標(biāo)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的快速無(wú)功支撐，待電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后繼續(xù)運(yùn)行。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)直驅(qū)風(fēng)電并網(wǎng)變流器模型進(jìn)行了理論分析，在基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制基礎(chǔ)上，在主回路增加了chopper電路，在計(jì)算通道中增加了對(duì)電網(wǎng)電壓的無(wú)功支撐控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器低電壓穿越及無(wú)功支撐功能，并成功通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了文中所提方法的正確性及可行性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 金一丁，宋強(qiáng)，劉文華.直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的建模與仿真分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008，32（5）：47-51.

[2] 鄭榮美，朱凌，張麗榮.不對(duì)稱故障下永磁風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)[J].電測(cè)與儀表，2013（3）：20-23.

[3] Australian Energy Market Commission.National electr-

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[4] 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定：GB/T 19963—2011[S].

收稿日期：2020-07-07

作者簡(jiǎn)介：吳敵（1986—），男，四川德陽(yáng)人，工程師，研究方向：電力電子與電氣拖動(dòng)。