直驅風力發電機組全功率變流器網側甩負荷故障分析及保護策略研究

顧偉峰 楊志千 郭 銳

（北京天誠同創電氣有限公司，北京 100176）

風能具有清潔、分布廣泛、可再生和無污染的特點，受到世界的普遍重視。隨著政府推動節能減排的力度不斷加大，我國的風電事業得到迅猛發展。近年來，國內風電市場中風電機組的單機容量持續增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，國內主流機型已經成為1.5～2.5MW[1]。

無齒輪箱的直驅方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統運行的可靠性和壽命，減少風電場維護成本，已經成為大容量風力發電的主流技術之一。在大功率變流技術和高性能永磁材料日益發展完善的背景下，永磁同步發電機（PMSG）與全功率變流器結合成為直驅方式的主要實現形式[1-2]。

直驅機組的典型組成如圖1所示。由于采用全功率變流器作為機組與電網的惟一接口，使得直驅機組相比雙饋型機組具有更好的低電壓穿越性能和電網友好性[2]。因此這些年對于全功率變流器的研究也成為了業內熱門[3-4]。

圖1 直驅風力發電機組的典型組成

隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重。作為直驅機組的關鍵部件，全功率變流器的可靠性要求也越來越高，特別是低電壓穿越（LVRT）能力，成為國內外研究的熱點[5-9]。

本文介紹了一種直驅風力發電機組全功率變流器在現場會遇到的特殊故障工況——網側甩負荷故障。即在機組正常工作時，變流器和風機控制系統沒有收到任何指令的情況下，圖1中的變壓器低壓側或者高壓側發生跳閘。這時風機葉輪還在吸收功率，而網側無法輸出功率，極限工況是發生在滿發的情況下。從整機可靠性角度出發，要求變流器不發生器件損壞，并及時報出故障通過主控系統將風機安全停機。本文分析了無保護策略時此故障工況下變流器的運行特點，并給出了仿真結果。根據分析，提出了保護策略并用仿真結果進行了驗證。

1 發生網側甩負荷故障時的變流器運行特 點分析

為了能更好理解發生網側甩負荷故障時變流器將出現的非正常工況，本節先對不采取任何保護策略的情況進行分析。

1.1 理論分析

根據上一節中對網側甩負荷故障的定義可以看出，故障時刻機組從葉輪到發電機到變流器的機側都沒有發生變化，可以看作一個恒定的直流功率輸入源。這樣可以將機組簡化為圖2所示的電路圖。實際應用對于大容量變流器網側會采用并聯運行的方式[3]，但仍可用圖2電路圖進行分析。

圖2 網側甩負荷故障時的簡化電路

從圖2可以看出，無論故障點1 還是故障點2發生斷路器跳閘時，機組的Pout突變為0，而因機組的葉片、機側整流器等工況未變，機側輸入功率Pin仍保持不變。根據PWM 整流器工作原理，直流母線電容上電壓會升高[10]，根據能量守恒原理可得到如式（1）所示的直流母線電壓和機側功率輸入之間的關系。

式中，C為直流母線電容的容值；Udc1為故障發生后t時刻的直流母線電壓值；Udc0為故障發生前正常運行的直流母線電壓值；Pin為機側輸入的功率。

根據式（1）可以看出，發生甩負荷故障后直流母線電壓會快速上升。例如某型2MW 變流器，直流母線電容容量為32mF，正常工作時直流母線電壓為1050V，發生故障后上升到目前絕大部分低壓兩電平變流器用IGBT 的集、射極擊穿電壓（VCES）1700V[11]所需的時間僅為0.0143s。對于其他功率等級的變流器，由于母線電容和功率等級之間關系基本一致，故障發生后直流母線電壓上升到VCES的時間都在0.015s 左右。

直驅機組中全功率變流器的網側逆變器實際上是三相電壓型PWM 整流器，其控制策略一般都采用應用最為廣泛的基于同步旋轉坐標變換的電壓定向控制（VOC）[3,10,12]，其系統框圖如圖3所示。

圖3 電壓定向控制（VOC）系統框圖

從圖2可以看出當故障1 點發生跳閘故障時，網側逆變器變為只有網側濾波器作為負載，當在故障點2 發生跳閘時，網側逆變器變為網側濾波器加上變壓器低壓側繞組作為負載，而變壓器處于空載運行的高阻抗狀態。這兩種工況對于變流器來說輸出的有功功率近似為0。根據圖3的系統框圖可以看出，當直流母線電壓Vdc增加時，網側輸出電壓會跟隨增加，而不是表現為網側電壓跌落。這種工況與文獻[13-14]介紹的孤島運行方式非常相似，只是甩負荷故障工況更加嚴重，其輸出的有功負載相對于變流器容量來說相當于零。

1.2 不采取任何保護策略時的仿真結果

為了驗證上述分析的正確性，建立如圖4所示的Matlab/Simulink 仿真模型[15]。模型中機側部分用根據直流母線電壓和功率而計算得到的受控電流源替代；網側逆變器的控制器根據變壓器低壓側和網側濾波器之間的電壓、電流信號和直流母線電壓信號作為輸入，構成圖3所示電壓定向控制算法。變流器通過變壓器連接到400MVA 的電網中，用來模擬實際風機連接到大電網的情況。在0.2s 時刻控制變壓器低壓側斷路器斷開，可得到如圖5、圖6所示的仿真波形。可以看出，在故障發生前網側輸出為單位功率因數狀態，直流母線電壓能很好地跟隨給定值，故障發生后直流母線電壓快速上升，網側輸出電壓幅值也隨之增加，而網側輸出電流降為0。當然實際中不能讓這種情況出現，否則會對功率模塊和網側濾波電容等造成損壞。

圖4 無保護策略時的仿真模型

圖5 電壓電流波形圖

圖6 直流母線電壓變化曲線

2 網側甩負荷的保護策略及采取策略后的 仿真波形

通過上述分析可知，網側甩負荷故障發生后，直流母線電壓由于網側輸出功率降為0、機側輸入功率不變而快速上升，這種情況和LVRT 過程中直流母線電壓的變化非常相似，因此這是可以利用全功率變流器中的制動單元和制動電阻實現對機側輸入功率進行消耗，抑制直流母線電壓的上升。這個保護可以采用LVRT 過程中一樣的控制策略[15-16]，這里不再贅述。

當制動單元投入后，直流母線電壓會抑制在一個系統能夠接受的安全電壓水平，網側電壓也會穩定。但是由于制動電阻不可能長期工作，目前大部分變流器根據LVRT 要求會按照在制動電阻上消耗全功率3s的能量進行制動電阻的設計和選型。因此，在制動電阻投入后，變流器的控制系統還應該根據整機控制策略給定扭矩不變，網側輸出功率降為零，制動單元動作等信息給主控系統報出故障，要求主控進入緊急停機狀態。變流控制器在報出故障后同時發出指令切斷機組發電機側開關并進入停機控制流程。

根據上述策略，在圖4的仿真模型中，增加直流側制動電路及其控制部分，將制動單元動作閾值設為額定直流母線電壓的1.1 倍進行了仿真，得到如圖7、圖8所示的仿真波形。

從圖7、圖8可以看出，當直流母線電壓上升到額定值的1.1 倍時由于制動電阻的投入，直流母線電壓會降低到了額定電壓1.04 倍左右，網側輸出電壓也就能穩定在一個較低的水平。

圖7 采用保護策略后的電壓電流波形

圖8 采用保護策略后的直流母線電壓波形

3 結論

本文對目前集中式并網的大功率直驅風力發電機組網側甩負荷故障發生后變流器的運行特點進行了詳細分析，并給出仿真波形。從分析和仿真結果看，這種故障會導致直流母線電壓和網側輸出電壓的上升，與LVRT 工況不同，如果不采取正確的保護策略會導致變流器中功率模塊等器件的損壞。根據分析本文給出一種保護策略，在故障發生后快速切入制動單元，并根據變流器輸入指令和執行結果的差異，在制動單元能夠承受全功率負載的時間段內快速報出故障，讓主控緊急停機，并切斷機側開關。最后用仿真驗證了該策略能有效抑制直流母線電壓和網側輸出電壓升高。

[1] 祁和生,沈德昌．當前我國大型風電產業發展分析報告[J].風能產業,2013(12): 7-26.

[2] 胡書舉.直驅型風力發電系統概述[J].變頻器世界,2009(10): 55-59.

[3] 陳瑤.直驅式風力發電系統全功率并網變流器拓撲結構研究[D].北京: 北京交通大學,2008.

[4] 馮江華.風電變流器的技術現狀與發展[J].大功率變流技術,2013(3): 4-11.

[5] 張友鵬,郭瑾,高鋒陽,等.永磁風電系統網側變流器低電壓穿越控制策略[J].電源技術,2012,36(12): 1883-1886.

[6] 楊曉萍,段先鋒,鐘彥儒.直驅永磁同步風電機組不對稱故障穿越的研究[J].電機與控制學報,2010,14(2): 7-12.

[7] 鄧秋玲,黃守道,肖磊.電網故障下直驅風電系統網側變流器控制[J] .中國電力,20011,44(8): 62-67.

[8] 張志剛,鄧超,黃守道.一種改進型的直驅風電系統變流器控制方法[J] .大電機技術,2013 (1): 25-29.

[9] ABBEY C,LI W,OWATTA L.Power electronic converter control techniques for improved low voltage ride through performance in WTGs[C].2006 IEEE Power Electronics Specialists Conference.Jeju,South Korea,2006: 1-6.

[10] 張興,張崇巍.PWM 整流器及其控制[M].北京: 機械工業出版社,2012.

[11] Norbert Pluschke.State-of-the-art Power Module Design for Renewable Energy Application.Journal of International Council on Electrical Engineering Vol.2,No.1,2012: 79-83.

[12] 羅悅華,伍小杰,王晶鑫.三相PWM 整流器及其控制策略的現狀及展望[J].電氣傳動,2006,36(5): 3-8.

[13] 徐少華,李建林.光儲微網系統并網/孤島運行控制策略[J].中國電機工程學報,2013,33(34): 25-33.

[14] 夏向陽,唐衛波,毛曉紅.分布式發電系統的主動式孤島檢測[J].中南大學學報(自然科學版),2013,43(7): 25-33.2662-2667.

[15] 李建林,胡書舉,孔德國,等.全功率變流器永磁直驅風電系統低電壓穿越特性研究[J].電力系統自動化,2008,32 (19): 92-95.

[16] 胡書舉,李建林,許洪華.直驅式VSC 風電系統直流側Crowbar 電路的仿真分析[J].電力系統及其自動化學報,2008,20(3): 118-123.