直驅(qū)變流器高壓穿越控制策略研究

摘 要： 近年來風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模并網(wǎng)帶來的問題越來越受到關(guān)注，因電網(wǎng)電壓驟升引起的事故逐年增加，因此風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越技術(shù)越來越受到重視。介紹一種直驅(qū)并網(wǎng)變流器的高電壓穿越控制策略，通過提高變流器的無功調(diào)節(jié)能力和直流DBR電路配合控制的方法，當(dāng)高電壓發(fā)生時(shí)，變流器的電網(wǎng)檢測模塊檢測到過壓后，變流器進(jìn)入HVRT模式，根據(jù)電壓升高的水平向電網(wǎng)提供無功支持，直流母線泄放電路進(jìn)行直流母線電壓穩(wěn)壓控制，完成變流器暫態(tài)過程過渡，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。此方案可以在已有的低壓穿越硬件基礎(chǔ)上完成，經(jīng)濟(jì)易行，非常適合對(duì)已運(yùn)行風(fēng)電場的升級(jí)改造。

關(guān)鍵詞： 直驅(qū)變流器； 高電壓穿越； 無功調(diào)節(jié)； 泄放電路

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0117?04

Abstract： Recent years， more attention is focused on the problems of large?scale grid in wind turbine， the accidents caused by grid voltage surge are increasing year by year， high voltage through technology of the wind turbine is paid more attention. A control strategy of high voltage ride through applying in direct driven converter is introduced， by the control method to improve the reactive power regulation ability of the converter combines with DC DBR circuit. When high voltage occurs， the overvoltage is detect by grid detection module then the converter is into HVRT mode. Reactive power is provided according to the level of high voltage， DC bus voltage is maintained by DC bus discharge circuit， the converter goes through the transient process to steady state. The proposed scheme is implemented with the existing hardware of the low voltage ride through， with the character of economic and convenient， and suitable for upgrade in operating wind farms.

Keywords： direct drive converter； HVRT； reactive power regulation； discharge circuit

0 引 言

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障驟升時(shí)，如果不加以控制，可能會(huì)造成變流器和風(fēng)電機(jī)組的損壞，同時(shí)也可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生功率沖擊，造成電力系統(tǒng)的暫態(tài)不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致局部甚至系統(tǒng)癱瘓，危害電網(wǎng)中其他設(shè)備甚至造成更嚴(yán)重的損失。因此，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的故障穿越能力十分重要，當(dāng)電網(wǎng)故障或者擾動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓升高時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷的并網(wǎng)運(yùn)行，在必要的時(shí)候還需要對(duì)電網(wǎng)提供無功功率的支持，完成電網(wǎng)電壓驟升到恢復(fù)正常過程的故障穿越。

實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場中，很對(duì)因素可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的驟升，例如：單相對(duì)地故障、風(fēng)電場負(fù)載的突然切除、大的電容補(bǔ)償器的投入等。直驅(qū)型風(fēng)電變流器的網(wǎng)側(cè)直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率無法送出，功率由電網(wǎng)側(cè)流入變流器，導(dǎo)致直流母線電壓快速升高，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障停機(jī)，嚴(yán)重情況下還可能因?yàn)檫^電壓毀壞功率器件IGBT，造成重大損失。針對(duì)直驅(qū)變流器的電網(wǎng)高電壓問題，本文采用網(wǎng)側(cè)無功電流控制、正負(fù)序電流控制和直流泄放電路相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高電壓穿越。本方法可以在現(xiàn)有的低電壓穿越硬件電路基礎(chǔ)上進(jìn)行，以最低的改造成本完成高電壓穿越（HVRT）。

1 高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前中國還沒有制定高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，但是國外已有很多國家的并網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定了高電壓穿越的具體要求。例如：澳大利亞并網(wǎng)導(dǎo)則要求當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)持續(xù)60 ms而不脫網(wǎng)，并提供足夠大的故障恢復(fù)電流；德國E.ON在并網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升為額定的125%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能保持100 ms運(yùn)行不脫網(wǎng)，且要求在高電壓情況下風(fēng)電機(jī)組需要吸收一定量的無功功率；丹麥、蘇格蘭和美國WECC在并網(wǎng)點(diǎn)均要求風(fēng)電場具有1.2 pu的高電壓穿越能力。由上述并網(wǎng)導(dǎo)則要求，可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要具備抵御和穿越高電壓的能力。

以澳大利亞并網(wǎng)導(dǎo)則要求為例說明高電壓穿越的要求，如圖1所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升為額定電壓的115%～130%時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組能夠持續(xù)運(yùn)行1 s的能力。

2 直驅(qū)變流器高電壓穿越實(shí)現(xiàn)

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的功率無法及時(shí)送出，同時(shí)電機(jī)側(cè)的功率流入變流器，直流電壓將會(huì)快速升高，當(dāng)電壓超過開關(guān)器件能承受的耐壓極限時(shí)將會(huì)引起變頻器開關(guān)器件的損壞，針對(duì)高電壓可能產(chǎn)生的問題，變流器采取優(yōu)化軟件控制和硬件泄放電路結(jié)合的方式完成高電壓穿越。

2.1 高電壓穿越軟件技術(shù)方案

針對(duì)變流器的高電壓狀態(tài)，軟件控制采取網(wǎng)側(cè)無功電流調(diào)節(jié)、電網(wǎng)電壓不平衡鎖相和電流正負(fù)序相結(jié)合的控制方案。

2.1.1 無功調(diào)節(jié)方案

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生高電壓時(shí)，變流器的電網(wǎng)檢測模塊檢測到過壓后，機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)入HVRT模式，根據(jù)變流器檢測到的電網(wǎng)電壓升高的水平提供網(wǎng)側(cè)無功支持，使變流器快速渡過暫態(tài)過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

通過無功電流調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的原理如圖2所示。其中：[E]表示電網(wǎng)電壓電動(dòng)勢矢量；[U]表示變流器輸出電壓矢量；[IL]表示流過電感的基波電流；[UL]表示在網(wǎng)側(cè)電感上產(chǎn)生的壓降；圓形區(qū)域內(nèi)為變流器濾波電感壓降作用域。

電網(wǎng)電壓升高時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流指令計(jì)算公式為[Iq=k*（MUg-1），]式中[MUg]為電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值幅值，[k]需要根據(jù)變流器功率等級(jí)的實(shí)際情況確定。通過網(wǎng)側(cè)變流器提供的無功支持，一定程度上可以幫助緩解電網(wǎng)電壓驟升。

2.1.2 電網(wǎng)電壓不平衡鎖相方案

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，電網(wǎng)電壓可能同時(shí)出現(xiàn)電網(wǎng)電動(dòng)勢不平衡，而常規(guī)的控制策略中的電網(wǎng)電壓鎖相是基于電網(wǎng)電壓平衡狀態(tài)下使用的，常規(guī)的控制策略在電網(wǎng)電動(dòng)勢出現(xiàn)不平衡時(shí)存在致命的缺陷：基于正序鎖相的軟鎖相環(huán)已經(jīng)失去有效性，無法準(zhǔn)確進(jìn)行鎖相獲取網(wǎng)側(cè)矢量控制需要的電網(wǎng)電壓角度信息，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)矢量控制失效，將造成變流器因過流過壓故障跳閘等。因此設(shè)計(jì)基于正負(fù)序雙同步參考系（Double Synchronous Reference Frame，DSRF）的軟件鎖相環(huán)對(duì)變流器在高電壓狀態(tài)下的控制具有重要的作用，它能夠快速分離出電網(wǎng)電動(dòng)勢的正負(fù)序分量并進(jìn)行分別獨(dú)立的鎖相，為高電壓穿越的順利實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.1.3 正負(fù)序電流控制方案

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升產(chǎn)生電網(wǎng)不平衡時(shí)，常規(guī)控制策略下的并網(wǎng)逆變器交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，當(dāng)電網(wǎng)不平衡狀態(tài)嚴(yán)重時(shí)，負(fù)序電流將變得更加嚴(yán)重。負(fù)序電流的產(chǎn)生一方面會(huì)威脅逆變器的安全運(yùn)行；另一方面會(huì)向電網(wǎng)注入不平衡功率，導(dǎo)致電網(wǎng)的不平衡加劇。因此為了抑制電網(wǎng)不平衡條件下逆變器的交流負(fù)序電流，在控制策略中加入了負(fù)序控制環(huán)，將負(fù)序電流指令給定為零，采用PI調(diào)節(jié)器，負(fù)序電流環(huán)控制使三相交流電流中不含有負(fù)序電流，三相電流對(duì)稱，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管電流分配均勻。

采用正負(fù)序控制方案的原理框圖，如圖6所示。在常規(guī)矢量控制策略的基礎(chǔ)上，加入了[d]軸和[q]軸的負(fù)序電流環(huán)控制和電網(wǎng)電壓前饋控制算法，將負(fù)序電流控制環(huán)指令給定均為零，通過PI調(diào)節(jié)器輸出得到的控制量與正序電流環(huán)控制輸出相疊加，得到控制指令送入SVPWM調(diào)制模塊，即可完成正負(fù)序相結(jié)合的控制方案。

2.2 高電壓穿越硬件技術(shù)方案

當(dāng)電網(wǎng)電壓突然升高時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的功率無法送出，并且功率通過電網(wǎng)流入變流器，導(dǎo)致直流側(cè)母線電壓值快速升高。因此為了保證直流母線電壓不超過變流器允許最大值，并保護(hù)變流器的開關(guān)器件不受到損壞，需要在直流側(cè)加入泄荷電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，通過泄荷電路將電網(wǎng)側(cè)無法送出的能量泄放掉，保證不損壞變流器的器件。

目前通常采用在直流側(cè)并聯(lián)泄荷電路（DBR）的方案。如圖7所示，泄荷電路并聯(lián)在直流母線上，由一個(gè)（或多個(gè)）泄荷電阻以及一個(gè)（或多個(gè)）開關(guān)組成，泄荷電阻上并聯(lián)有二極管器件。目前具備低電壓穿越能力的直驅(qū)變流器均配有直流側(cè)的泄荷電路。因此，具有低電壓穿越能力的直驅(qū)變流器在高電壓穿越過程中可直接通過能耗電路完成能量泄荷，不需要額外的硬件改造。

高電壓狀態(tài)下泄荷電路工作原理與低電壓狀態(tài)一致，變流器實(shí)時(shí)檢測直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓升高至泄荷電阻觸發(fā)電壓值時(shí)，開通直流母線DBR電路中的開關(guān)器件IGBT，通過泄放電阻將積聚的能量釋放掉，控制直流母線電壓不超過母線電壓保護(hù)值，當(dāng)直流母線電壓降低到變流器允許的最低直流母線電壓值時(shí)，關(guān)斷IGBT。通過泄荷電路保證在電網(wǎng)電壓升高狀態(tài)下多余能量的釋放和直流母線電壓在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 高電壓穿越仿真研究

搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真中選擇的參數(shù)為：變流器額定功率[Pn=]1.5 MW，變流器額定直流母線電壓[UDC=]1 080 V，變流器允許的最高直流母線電壓為1 180 V，三相電網(wǎng)額定線電壓為690 V，變流器額定電流為1 255 A。仿真中設(shè)定在0.6～1.0 s時(shí)三相電網(wǎng)電壓升高為130%額定電壓。

4 結(jié) 語

通過本文的原理介紹和仿真結(jié)論可知，采用軟件優(yōu)化控制和硬件電路結(jié)合的方式完全可以實(shí)現(xiàn)直驅(qū)變流器機(jī)組的高電壓穿越，并且在目前已具備LVRT功能的直驅(qū)變流器機(jī)組條件下，可以不另外增加硬件成本，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)變流器機(jī)組的HVRT功能，對(duì)于風(fēng)機(jī)廠家來說，可以大大減少機(jī)組改造成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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