直驅風電并網(wǎng)變流器的低電壓穿越技術研究

摘要：風力發(fā)電作為可再生清潔能源的一種，近年來在國內(nèi)電網(wǎng)中所占比重不斷增加，而風電機組的低電壓穿越能力密切影響著機組的安全穩(wěn)定運行。現(xiàn)針對直驅型全功率風電變流器，在增加chopper電路及改進原有控制策略的基礎上，成功實現(xiàn)了變流器的低電壓穿越功能以及對電網(wǎng)的動態(tài)無功支撐;并開發(fā)樣機進行試驗，驗證了該方案的有效性和合理性。

關鍵詞：直驅;低電壓穿越;chopper;無功支撐

0 ? ?引言

在環(huán)保問題日益嚴峻，并且大力提倡節(jié)能減排的形勢下，風力發(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)展風力發(fā)電的同時，也需要解決好風力機組運行穩(wěn)定性問題，以免對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求風力發(fā)電機組必須具備低電壓穿越（LVRT）能力[2]。關于風電機組LVRT問題，風電主流國家相繼制定了符合自身發(fā)展的風電并網(wǎng)規(guī)程，提出了相應的LVRT技術要求[3]。而國內(nèi)也根據(jù)自身實際情況制定了相對應的LVRT技術要求[4]。

1 ? ?并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型及控制策略

對于直驅型風力發(fā)電而言，機組通過網(wǎng)側逆變器與電網(wǎng)連接，網(wǎng)側及機側變流器可通過頻率及電壓解耦，電網(wǎng)電壓的突降并不會對永磁發(fā)電機及機側變流器產(chǎn)生直接影響。因此，全功率變流器的拓撲圖可簡化為如圖1所示。

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

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可實現(xiàn)有功電流id與無功電流iq解耦，控制id即為控制有功功率，同樣通過控制iq即可控制無功功率。而由式（3）可知對直流側電壓的控制同樣也可以通過對id的控制來完成，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立有功、無功控制。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;而無功通道內(nèi)環(huán)控制注入電網(wǎng)的無功電流，外環(huán)控制注入無功功率的大小。控制框圖如圖2所示。

2 ? ?低電壓穿越及動態(tài)無功支撐

當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，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。當達到允許最大電流時，由于機側功率保持恒定輸出，而網(wǎng)側輸出功率因電網(wǎng)電壓的跌落而大幅下降，這將導致直流側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)電機出力、在直流側并聯(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，通過在直流側并聯(lián)chopper電路來實現(xiàn)對多余能量的吸收，以保持直流母線電壓的穩(wěn)定，如圖3所示。對chopper電路開關器件的控制，采用直流側電壓的滯環(huán)控制方式，設定直流側電壓上限Udcmax=1 150 V，比較直流電壓Udc與Udcmax，當Udc>Udcmax時，PWM信號觸發(fā)chopper電路開關器件導通，此時卸荷電阻通過開關器件接入直流側，直流電容上多余的能量將通過卸荷電阻消耗。

除低電壓穿越能力以外，標準中同樣要求了風電機組應具有無功電流輸出能力以支撐電網(wǎng)電壓恢復。而對于電網(wǎng)的快速無功支撐技術，是通過在原有控制基礎上進行改進，重新對無功電流和有功電流的參考值進行分配實現(xiàn)的。在原有無功通道上增加了一個電網(wǎng)電壓外環(huán)，其中無功電流參考值iq*由電網(wǎng)電壓外環(huán)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到，并通過式id*=對有功電流參考值進行計算，將計算結果代入有功電流計算通道，作為限幅值用于控制有功電流。控制框圖如圖4所示。

3 ? ?試驗結果

按上述控制策略制造了實驗樣機，并網(wǎng)變流器總容量2.5 MW，電網(wǎng)側電壓690 V，卸荷電阻阻值按最大容量設計，直流側電壓最大值Udcmax設定為1 150 V。在東方風電公司電網(wǎng)適應性試驗平臺上進行了低電壓穿越試驗，試驗工況為帶載100%，試驗波形如圖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波形，每個波形圖從上到下信號波形分別為：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)無功功率Q。根據(jù)試驗結果可知，采用文中所述控制策略，變流器能適應電網(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)定運行，并能按國標要求實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的快速無功支撐，待電網(wǎng)電壓恢復正常后繼續(xù)運行。

4 ? ?結語

本文對直驅風電并網(wǎng)變流器模型進行了理論分析，在基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制基礎上，在主回路增加了chopper電路，在計算通道中增加了對電網(wǎng)電壓的無功支撐控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器低電壓穿越及無功支撐功能，并成功通過試驗樣機驗證了文中所提方法的正確性及可行性。

[參考文獻]

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

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

[3] Australian Energy Market Commission.National electr-

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[4] 風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定：GB/T 19963—2011[S].

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：吳敵（1986—），男，四川德陽人，工程師，研究方向：電力電子與電氣拖動。