直驅型風電系統高電壓穿越仿真分析

賈 超，李廣凱，王勁松，白 愷

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003;2.華北電力科學研究院 高壓所，北京 100045)

0 引言

21世紀是傳統能源緊缺的世紀，預計到2030年世界對能源的需求將增加44%[1]。隨著全球能源危機和環境污染的日益嚴重，開發和利用可再生的清潔能源勢在必行。風力發電是新能源中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，具有占地少、無污染、建設周期短、裝機規模靈活等優點。

目前風力發電系統主要有恒速恒頻風力發電系統和變速恒頻風力發電系統兩大類。恒速恒頻風力發電系統只能在一定風速下捕獲風能，發電效率較低;變速恒頻風力發電系統一般采用永磁同步電機或雙饋電機作為發電機，直驅型風機可省去雙饋型風機的增速齒輪箱，減少發電機的體積和重量，可降低噪聲和維護費用。這種發電系統拓撲結構簡單，控制方法相對容易，受到了廣泛關注[2～4]。

高電壓穿越 (High Voltage Ride Through，HVRT)意味著風力發電機在電網電壓突升的情況下仍能保持并網運行。對于高電壓穿越，國家電網防風電大規模脫網的重點措施要求風電機組應具備一定的過電壓能力 (風電場并網點電壓為1.3倍額定電壓)，應能與場內無功動態調整的響應速度相匹配，實現高電壓情況下的不脫網連續運行。

高電壓產生的情況可能是由負荷掉閘或不平衡的電網故障引起的。當電網電壓超出一定的額度后，通過網側變流器的電流可能會反向，導致直流母線電壓的快速提升。澳大利亞的電網標準要求風電機組能承受1.3倍額定電壓的時間為 60 ms[5]。

關于風機實現高電壓穿越的文獻不多。文獻[5]從硬件、機側變流器控制和網側變流器的控制來解決高電壓穿越，通過模擬仿真驗證了其控制策略。文獻[6]提出了用動態電壓補償和靜止同步補償器來解決高電壓穿越，并對兩者進行了比較，通過仿真得到了驗證。

本文選擇用網側變流器的無功控制，并配合直流側使用卸荷電阻的Crowbar電路，實現直驅型風電系統的高電壓穿越。基于Matlab/Simulink搭建了直驅型風電系統模型，通過仿真比較，證明了文中提出方案的有效性。

1 風電機組的容性無功

文中采用不可控整流+Boost升壓+可控逆變的典型直驅型風電機組模型，發電機定子經AC/DC/AC變流器和電網連接，不直接和電網耦合。電網電壓的升高導致發電機定子側輸出的有功功率和網側逆變器輸出的有功功率不平衡，致使直流側電壓上升，當電網電壓恢復正常時，又相當于低電壓穿越，網側變流器電流會突增，風機發出的有功和無功也會突增，威脅到IGBT的安全。

當電網電壓升高，此時若能讓風機提供容性無功，就能緩解電網的高電壓對風機的影響。直驅型風機采用的是全功率變流器，通過改變網側逆變器的控制策略，使其能提供容性無功。網側逆變器控制策略:當電網電壓正常時，q軸 (無功)電流設為0，使系統工作在單位功率因數狀態;當電網電壓升高時，在不超過網側逆變器所能承受的最大電流，最大限度地向電網提供容性無功。為無功控制電流，為有功控制電流。公式如下:

2 直流側Crowbar保護電路

直驅型風電系統采用卸荷電阻作為Crowbar電路，直流側Crowbar電路和網側逆變器電路控制框圖如圖1所示。直流側卸荷電阻如圖2所示，系統正常工作時卸荷電阻不投入運行;當電網發生故障時，直流側電壓上升，投入卸荷電阻，消耗掉多余的能量，使風機和變流器的運行基本不受到影響。用卸荷電阻作為Crowbar保護電路，實現簡單，可靠性高。卸荷電阻將多余的能量以熱量的形式消耗掉，需要較大的阻性負載，短時間可正常運行，長時間需考慮散熱問題[7]。

圖1 直流側Crowbar電路和網側逆變器電路控制框圖Fig.1 Crowbar circuit in DC side and control block diagram of inverter circuit in network side

圖2 直流側采用的卸荷電阻Fig.2 Unloading resistance of DC side

3 仿真分析

文中基于Matlab/Simulink搭建風電場接入無窮大系統 (如圖3所示)。風電場由5臺2 MW的直驅型風電機組成，風電機出口電壓為690 V，通過箱變升為10 kV，經由一條30 km的輸電線路送至風電場升壓站，電壓升為110 kV，最終接入無窮大系統。假定電網電壓在0.2 s時升高到額定電壓的1.3倍，此時發電機處于額定運行狀態，0.4 s后電網電壓恢復到額定電壓。仿真參數如下:永磁發電機極對數30，線電壓690 V，磁感應強度1.2 p.u.，定子電阻為0.006 p.u.，交軸電感為1.305 p.u.，直軸電感為 0.474 p.u.，額定頻率50 Hz;直流側母線額定電壓1 100 V;卸荷電阻為1.0 Ω，網側逆變器電流最大值為1.3 p.u.。

圖3 風電場接入無窮大系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of wind farm access infinity system

3.1 不提供無功和不投入Crowbar電路時的特性

圖4是風機不提供容性無功和不投入Crowbar電路時的仿真波形。從圖4(a)，(c)可知，0.2 s時電網電壓升高到額定值的1.3倍，網側逆變器的輸出電流開始減小，在0.4 s電網電壓恢復時，輸出電流增大到1.4 p.u.。由圖4(b)可知定子電流在電網電壓升高時無明顯變化，在電網電壓恢復時，有一個約1.3倍的波峰。圖4(d)，(e)可知輸出的有功功率和無功功率在電壓突升時均有一個下降，在電壓恢復時均有很高的波峰，嚴重損害網側變流器中的IGBT器件。圖4(f)為直流側電壓，在故障期間，直流側電壓最高上升至1 200 V，至0.4 s電網電壓恢復時，直流電壓跌至820 V左右。

圖4 不提供無功和不投入Crowbar的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of no reactive power and no Crowbar

3.2 提供無功和投入Crowbar電路時的特性

圖5(a)是采用文中所提出控制策略后直驅型風電系統高電壓穿越時的仿真波形。圖5(b)是風電機組定子電流波形，可以看出基本平穩。圖5(c)中網側變流器輸出的電流在提供容性無功后上升至1.1倍。圖5(d)為輸出有功功率，最高至11.8 MW，最低至8 MW。由圖5(e)可知，發電機在電網電壓升高期間，提供了約7 MVar的容性無功，平穩了定子、網側變流器的電流。圖5(f)為直流側電壓，最低至1 028 V，利用卸荷電阻將直流側電壓控制在1 110 V，卸荷電阻在電壓高于1 110 V時，一直處于投運狀態，0.9 s后直流側電壓恢復正常，卸荷電阻退出。

圖5 提供無功和投入Crowbar時的仿真波形Fig.5 Simulation waveform of provided reactive power and Crowbar

4 結論

文中分別仿真不提供容性無功和Crowbar電路、提供容性無功和Crowbar電路這兩種情形下直驅型風電系統的高電壓穿越特性，對比發現，后者可以保護網側變流器的元件，使母線電壓波動減小，有效地提高了直驅型風電機組的高電壓穿越能力。此外，也需注意到，提供容性無功后直流側電壓有一個下降(1 028 V)，有待改進無功電流的控制策略，使其平穩過渡。