考慮變直流母線電壓參考值的直驅(qū)風(fēng)電機組高電壓穿越控制策略

張公生，王維慶，王海云，葛來福，張 攀

（1.新疆大學(xué) 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000；3.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊830047）

0 引言

隨著大規(guī)模高集中度風(fēng)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)，國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電機組具備低電壓穿越（LVRT）能力和高電壓穿越（HVRT）能力[1]。HVRT是指當(dāng)電網(wǎng)電壓在短時驟升或長時間輕微驟升時，風(fēng)電機組能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行[2]，[3]。針對電網(wǎng)電壓驟升對雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子的影響，文獻(xiàn)[4]，[5]提出了基于虛擬阻抗和變阻尼的控制策略，有效縮短了高電壓期間轉(zhuǎn)子的振蕩過程，在一定程度上提高了機組的高電壓穿越性能。文獻(xiàn)[6]，[7]研究表明，電網(wǎng)電壓驟升期間可以采用靜止同步補償器，動態(tài)電壓恢復(fù)器等端電壓無功支撐裝置來補償機端電壓。文獻(xiàn)[8]在變流器的直流母線側(cè)增加了卸荷電阻和儲能裝置，該方法增加了機組的運行成本。文獻(xiàn)[9]，[10]在直驅(qū)永磁同步發(fā)電機（PMSG）電網(wǎng)電壓驟升時的暫態(tài)特性基礎(chǔ)上，初步探討了卸荷電路的HVRT方案。文獻(xiàn)[11]針對電網(wǎng)電壓驟升對直驅(qū)網(wǎng)側(cè)變流器的影響，提出了雙模式控制的HVRT控制策略，大大提高了機組在故障期間的無功補償能力。直驅(qū)永磁風(fēng)電機組具有變流器容量大、無變速齒輪箱、啟動風(fēng)速小、運行效率高等優(yōu)勢，隨著直驅(qū)機組在低風(fēng)速風(fēng)電場和海上風(fēng)電場中大量裝機運行，對直驅(qū)永磁機組的HVRT研究顯得十分迫切。

本文在分析電網(wǎng)電壓驟升對PMSG影響基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)要求，提出在輕度驟升下充分發(fā)揮機組的無功調(diào)節(jié)能力，深度驟升時結(jié)合變直流母線電壓參考值控制策略，充分利用直流側(cè)電容儲能和無功調(diào)節(jié)能力協(xié)助風(fēng)機HVRT。并仿真驗證了該控制策略在HVRT中的有效性和實用性。

1 風(fēng)電機組HVRT要求與標(biāo)準(zhǔn)

目前，世界其它國家都已經(jīng)對風(fēng)電機組的HVRT做出了明確的標(biāo)準(zhǔn)。我國的《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中首次對風(fēng)電機組的HVRT做出了明確的要求[1]，如圖1所示。由圖1可以看出，我國要求的風(fēng)電機組不脫網(wǎng)運行的最高電壓為1.2 p.u.，并且保持200 ms持續(xù)運行，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.15 p.u.時，要求能夠持續(xù)運行10 s，但并沒有對故障期間的無功支撐能力做出具體的要求。

圖1 風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)規(guī)定Fig.1 Specification for high voltage ride through of wind turbines

2 電網(wǎng)電壓驟升下直驅(qū)風(fēng)機故障運行特性分析

2.1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機模型

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機經(jīng)全功率雙PWM變流器連接至電網(wǎng)，機組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 Direct drive permanent magnet wind power generation system

正常運行情況下，機側(cè)變流器通過對永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制和最大風(fēng)能追蹤。網(wǎng)側(cè)變流器在定向電壓矢量控制下通過調(diào)節(jié)dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d，q電流參考值，實現(xiàn)輸出功率的解耦控制和穩(wěn)定直流母線側(cè)電壓。當(dāng)發(fā)生低電壓故障時，直流側(cè)功率的不平衡觸發(fā)卸荷DC-chopper保護(hù)電路，吸收不平衡功率，協(xié)助風(fēng)機實現(xiàn)低電壓穿越。圖2中：ug，ig分別為電網(wǎng)電壓和電流；R為卸荷電阻；us，is分別為PMSG輸出的電壓和電流；ωr，β，v分別為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、槳距角和風(fēng)速。

2.2 電網(wǎng)電壓驟升下全功率變流器分析

由圖2可知，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機通過全功率變流器將發(fā)電機與電網(wǎng)解耦。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，不會對永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生直接影響，為便于分析，本文只以網(wǎng)側(cè)變流器為研究對象[11]，其拓?fù)淙鐖D3所示。圖中：Rg，Lg分別為交流進(jìn)線電阻和電感；udc為直流側(cè)電壓。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器Fig.3 Network side converter

由式（4）可知，電網(wǎng)電壓的上升不僅會引起直流側(cè)電壓上升，還可能導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器的過調(diào)制，使網(wǎng)側(cè)變流器失去控制，引起電網(wǎng)能量的逆向流動。同時，當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器的單位功率因數(shù)為1時，即igq=0，直流母線電壓udc會高于電網(wǎng)線電壓峰值。以1.5 MW全功率風(fēng)能變流器為例，直流側(cè)額定電壓為1 050 V，網(wǎng)側(cè)輸出額定電壓為690 V，根據(jù)我國HVRT標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.2 p.u.時，母線電壓會達(dá)到1 170 V，可能導(dǎo)致直驅(qū)風(fēng)機因直流母線電壓過高而脫網(wǎng)。

3 高電壓穿越控制策略

3.1 考慮變直流母線電壓參考值的控制策略

由于網(wǎng)側(cè)變流器不能及時輸出機側(cè)變流器功率，導(dǎo)致變流器直流側(cè)能量不平衡，觸發(fā)了保護(hù)裝置動作，造成PMSG機組LVRT脫網(wǎng)[14]。由前文分析可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升，會引起直流側(cè)電壓泵升，還可能導(dǎo)致變流器過調(diào)制，使得變流器可控性變差。然而，直流側(cè)電壓具有一定的調(diào)節(jié)裕度，上限約束可以達(dá)到1.1 p.u.[15]。在高電壓暫態(tài)期間內(nèi)，在允許的范圍內(nèi)可以通過調(diào)高直流側(cè)的電壓參考值，來改變直流側(cè)電壓的可控性。同時，使直流側(cè)電容吸收部分不平衡能量緩解直流側(cè)電壓泵升。本文提出兩種參考值調(diào)節(jié)方案，一是根據(jù)電網(wǎng)電壓的驟升程度，二是根據(jù)高電壓故障的持續(xù)時間。采用方案二時，并網(wǎng)要求輕度驟升下可持續(xù)運行10 s，不利于直流電容。另外，直流側(cè)電壓的持續(xù)波動，不利于控制策略的運行。因此本文選擇方案一。假設(shè)電網(wǎng)電壓每驟升0.1 p.u.，直流電壓參考值udcref提升Δudc，Δudc為0～1。據(jù)此設(shè)計直流母線變電壓參考值控制器，控制器在高電壓暫態(tài)期間改變電壓的參考值，在udc約束范圍內(nèi)提升電壓參考值，使直流側(cè)電容充電。調(diào)節(jié)后的udcref如圖4所示。

圖4 直流電壓參考值變化曲線Fig.4 Curve of reference value of DC voltage

由圖4可知，為防止直流側(cè)電壓劇烈變化對直流電容瞬間充電造成的沖擊，須將Δudc添加一個慣性環(huán)節(jié)給定到udcref端，使得-ωsLgigq沿曲線方式上升，最高提升到1.1 p.u.，慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)不超過故障的持續(xù)時間。此外，引入慣性環(huán)節(jié)使得-ωsLgigq速率提升，有利于抑制直流側(cè)電壓波動。

3.2 高電壓暫態(tài)期間網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先控制

電網(wǎng)電壓驟升時，會對網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生影響，因此為保證網(wǎng)側(cè)變流器的正常工作和高電壓故障的快速恢復(fù)，需要網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生一定的感性無功。由于網(wǎng)側(cè)變流器無功電流受到電網(wǎng)電壓驟升幅度的影響[16]，[17]，為避免過補償，風(fēng)電機組需要按照電網(wǎng)電壓驟升值與額定無功補償電流值至少2∶1的原則對電網(wǎng)就地補償，即：

具體控制策略如圖5所示。圖中：i*gd1，i*gd2為網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功電流通道；i*gq1，i*gq2為網(wǎng)側(cè)變流器輸出無功電流通道?？刂撇呗苑譃檎?、故障兩種狀態(tài)，當(dāng)正常運行時，網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)發(fā)電機單位功率因數(shù)運行和直流母線電壓的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.1 p.u.以上時，網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)以優(yōu)先輸出感性無功為主，控制策略切換到故障模式。d軸直流電壓外環(huán)控制經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到有功電流參考值i*gd，q軸電流由式（5）給定。同時，為不超出網(wǎng)側(cè)最大允許電流，有功電流由式（6）限定，限定值i*gd1與原有功電流i*gd2比較取小值，作為d軸有功電流通道的參考值。當(dāng)原有功電流i*gd1超過限定值i*gd2時，說明直流側(cè)電壓外環(huán)已不能有效穩(wěn)定直流側(cè)電壓，須投入其他裝置或控制策略，吸收直流側(cè)剩余的功率，使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在安全運行范圍內(nèi)。

圖5 HVRT故障控制策略Fig.5 HVRT fault control strategy

3.3 基于綜合控制策略的HVRT實現(xiàn)

綜上所述，本文提出一種直驅(qū)永磁機組高電壓穿越控制策略，控制流程如圖6所示。

圖6 HVRT故障控制流程框圖Fig.6 Flow chart of HVRT fault control

電網(wǎng)電壓在正常范圍（ug＜1.1 p.u.）時，網(wǎng)側(cè)采用單位功率運行模式。根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范，將電網(wǎng)電壓驟升分為輕度驟升（1.1＜ug＜1.15 p.u.）和深度驟升（1.15＜ug＜1.2 p.u.）兩種故障狀態(tài)。當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓驟升到1.1 p.u.以上時，為穩(wěn)定直流母線電壓和滿足變流器的調(diào)制要求，網(wǎng)側(cè)變流器單位功率運行模式切換到優(yōu)先無功支撐模式。在輕度驟升下僅通過機組的無功補償，調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的感性無功電流快速恢復(fù)故障電壓。深度驟升下，由于直流側(cè)電壓波動較大，在無功補償?shù)幕A(chǔ)上，投入直流變母線電壓參考值控制器，使直流側(cè)電容儲存一定的能量緩解直流電壓波動，若直流側(cè)電壓超過上限（本文設(shè)為1.1 p.u.），則投入卸荷電阻，快速吸收不平衡能量。

4 仿真分析

本文在Simulink平臺搭建發(fā)電模型。具體參數(shù)：PMSG額定功率為1.5 MW，極對數(shù)為24對，網(wǎng)側(cè)額定輸出電壓為690 V，額定頻率為50 Hz，直流母線側(cè)額定電壓為1 050 V，直流側(cè)平波電容為0.05 F，額定風(fēng)速為12 m/s。分別采用常規(guī)的單位功率因數(shù)控制方法和本文所提方法進(jìn)行仿真對比。根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)要求，設(shè)置電網(wǎng)電壓輕度驟升1.15 p.u.，故障持續(xù)10 s，設(shè)置電網(wǎng)電壓深度驟升1.2 p.u.，故障持續(xù)200 ms。兩種故障工況的仿真波形如圖7，8所示。

圖7 電網(wǎng)電壓驟升1.15 p.u.時HVRT控制策略仿真Fig.7 HVRT simulation of control strategy for grid voltage soaring to 1.15 p.u.

由圖7可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.15 p.u.時，直流母線電壓泵升到1 080 V，雖然在變流器最大可操作電壓范圍內(nèi)，但較長時間的高壓將影響變流器直流側(cè)母線。當(dāng)投入綜合HVRT控制策略后，網(wǎng)側(cè)變流器優(yōu)先向電網(wǎng)注入無功功率以保證電壓的快速恢復(fù)和穩(wěn)定直流母線電壓，注入0.3 p.u.的感性無功功率后，電網(wǎng)電壓回落到1.1 p.u.內(nèi)，而直流母線電壓也幾乎回到原值，僅在故障開始和結(jié)束時有微小波動，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于故障時的波動。故障后運行平穩(wěn)無波動。由圖8可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.2 p.u.時，常規(guī)控制下直流母線電壓上升到1 180 V，已超過變流器最大可操作電壓1 150 V，觸發(fā)電壓異常保護(hù)而脫網(wǎng)。投入無功優(yōu)先控制策略后，網(wǎng)側(cè)變流器優(yōu)先向電網(wǎng)注入0.4 p.u.的無功功率，直流母線電壓仍有較大波動。為減小波動，采用考慮變直流母線電壓參考值的控制后，直流母線電壓雖然高于額定值10 V左右，但明顯比不加變直流母線控制平滑，且完全在直流母線電壓的波動范圍之內(nèi)。有功輸出波動相比較小，電網(wǎng)電壓回落到1.15 p.u.內(nèi)，在機組的電壓承受范圍內(nèi)，機組不會脫網(wǎng)。

圖8 電網(wǎng)電壓驟升1.2 p.u.時HVRT控制策略仿真Fig.8 HVRT simulation of control strategy for grid voltage soaring to 1.2 p.u.

5 結(jié)論

本文提出了一種考慮變直流母線電壓參考值和網(wǎng)側(cè)無功控制相結(jié)合的HVRT控制策略，并在不同電壓驟升幅度下進(jìn)行仿真驗證，得出以下結(jié)論。①電網(wǎng)電壓在驟升到1.15 p.u.內(nèi)時，機組不會脫網(wǎng)。僅通過網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)注入無功功率，便能有效減輕電網(wǎng)電壓驟升對機組的影響，穩(wěn)定機組的運行。②當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升到1.2 p.u.最嚴(yán)重情況時，機組直流母線電壓已超過最大可操作電壓，機組有脫網(wǎng)的風(fēng)險。此時，通過投入綜合控制策略后，能夠?qū)崿F(xiàn)機組HVRT，且提高了機組的抗暫態(tài)振蕩的能力和穩(wěn)定運行的能力。③本文僅通過控制策略實現(xiàn)了機組的HVRT，避免了DC-chopper的頻繁投入運行。依據(jù)并網(wǎng)規(guī)范進(jìn)行研究，對當(dāng)前風(fēng)電機組HVRT改造有著實際的借鑒意義。