全功率風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

喻俊鵬，黃峰一，胡斌

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳518055）

全功率風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

喻俊鵬，黃峰一，胡斌

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳518055）

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，其對(duì)電網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響也越來(lái)越大，因此電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)性要求也在不斷提高。高電壓穿越（HVRT）作為電網(wǎng)適應(yīng)性要求的一部分，國(guó)外已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)雖暫時(shí)沒(méi)有展開(kāi)相關(guān)測(cè)試，但相關(guān)人員已經(jīng)在研究高電壓穿越相關(guān)技術(shù)了，其要求在國(guó)內(nèi)也必將得到推廣。因此，以風(fēng)電全功率變流器高電壓穿越為例，通過(guò)理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)，揭示高電壓穿越時(shí)變流器的運(yùn)行狀態(tài)，并研究其相關(guān)的控制策略。

高電壓穿越；風(fēng)力發(fā)電；全功率變流器；穩(wěn)態(tài)分析

引言

過(guò)去在風(fēng)電領(lǐng)域?qū)^(guò)電壓的關(guān)注度相對(duì)較少，對(duì)過(guò)電壓的應(yīng)對(duì)策略研究也相對(duì)較少。但過(guò)電壓在電網(wǎng)中其實(shí)時(shí)有發(fā)生，例如電壓跌落故障清除后的電壓恢復(fù)階段、大容量電容補(bǔ)償器的投入、電網(wǎng)中負(fù)載的突然減小等，都可能引發(fā)過(guò)電壓［1］。因此，高電壓穿越能力其實(shí)是保證并網(wǎng)類(lèi)設(shè)備可靠運(yùn)行的必備能力之一。

2011年2月24日甘肅酒泉598臺(tái)風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，274臺(tái)為低電壓時(shí)脫網(wǎng)，其余324臺(tái)為高電壓脫網(wǎng)。這次震驚國(guó)內(nèi)電網(wǎng)事故后，低電壓穿越要求被寫(xiě)入了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是，風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)過(guò)壓情況下適應(yīng)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)并未引起足夠的重視。

在國(guó)外，歐美、澳大利亞等各國(guó)已制定了相關(guān)高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)，高電壓穿越也越來(lái)越引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注。中國(guó)電力科學(xué)研究院劉雪菁等的風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)研究，表明標(biāo)準(zhǔn)制定及認(rèn)證機(jī)構(gòu)已經(jīng)從技術(shù)上開(kāi)始關(guān)注高電壓穿越。相信不久的將來(lái)，高電壓穿越將成為對(duì)風(fēng)電機(jī)組考核的重要項(xiàng)目。在上述背景下，研究和實(shí)現(xiàn)高電壓穿越功能已刻不容緩。

在高電網(wǎng)電壓下，變流器的壓力主要體現(xiàn)在直流母線(xiàn)上，網(wǎng)側(cè)電壓源型整流器VSR（voltagesource rectifier）可能無(wú)法將能量回饋到電網(wǎng)中，能量在直流母線(xiàn)上積累，引起直流母線(xiàn)電壓升高，若控制策略選擇不當(dāng)，可能引起直流母線(xiàn)上Chopper持續(xù)動(dòng)作直至過(guò)熱；或者因母線(xiàn)電壓過(guò)高危及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。如何選擇控制策略，在保證變流器安全的情況下，表現(xiàn)出好的外特性是本文的研究重點(diǎn)。

1　理論分析

由于全功率變流器只有網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)有電氣連接，因此高壓穿越時(shí)只需研究網(wǎng)側(cè)。網(wǎng)側(cè)電壓源型整流器VSR示意［4］如圖1所示。

圖1　三相VSR示意Fig.1 Three phases VSR schematic

對(duì)于三相交流系統(tǒng)一般采用矢量控制，將三相交流量ua、ub、uc，用復(fù)平面空間矢量來(lái)描述為

由于矢量在相對(duì)復(fù)平面旋轉(zhuǎn)，若定義一個(gè)與矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，則在此坐標(biāo)系中，矢量的位置保持不變，這個(gè)隨矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系即為dq坐標(biāo)系。下面的分析將基于dq坐標(biāo)系進(jìn)行。

橋臂電流正方向定義如圖1中箭頭所示。由于發(fā)波電壓受制于母線(xiàn)電壓，則有

式中：vdc為直流母線(xiàn)電壓；vd、vq分別為dq坐標(biāo)系d、q軸發(fā)波電壓；k為坐標(biāo)變換引入的常量，此處分析不必去計(jì)較采用哪種常量，因此用符號(hào)代替。若采用uq=0定向，穩(wěn)態(tài)時(shí)，發(fā)波電壓表達(dá)式為

式中：ud、uq分別為dq坐標(biāo)系d軸和q軸電網(wǎng)電壓，id、iq分別為dq坐標(biāo)系橋臂d軸和q軸電流。將式（2）代入式（1），整理得

為分析不等式右值與id、iq的關(guān)系構(gòu)造函數(shù)，即：

并令：

則有

因此，分析f（id，iq）與id，iq的關(guān)系時(shí)，只需分別分析f1（id）與id、f2（iq）與iq的關(guān)系即可。這兩個(gè)一元函數(shù)都是開(kāi)口向上的拋物線(xiàn)，且開(kāi)口大小相同，頂點(diǎn)位置不同。其特點(diǎn)為：離對(duì)稱(chēng)軸越遠(yuǎn)函數(shù)值變化越快。f1（id）和f2（iq）的對(duì)稱(chēng)軸分別為

通常情況下有RS＜＜ωLS，因此f2（iq）的對(duì)稱(chēng)軸比f(wàn)1（id）的對(duì)稱(chēng)軸離原點(diǎn)遠(yuǎn)得多，f2（iq）在原點(diǎn)附近的變化率比f(wàn)1（id）大得多。

按實(shí)際參數(shù)：RS=0.225×10-3Ω，LS=0.06×10-3H，ud=563 V，ω=314 rad/s，繪制f1（id）、f2（iq）曲線(xiàn)，如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)id、iq的在原點(diǎn)附近取值時(shí)，f1（id）變化較慢，f2（iq）變化較快，即iq的變化對(duì)f（id，iq）取值的影響較大，id的變化對(duì)f（id，iq）取值的影響較小。

工程上為了簡(jiǎn)化分析，令RS=0。代入式（4），得

圖2　f1（id）、f2（iq）與id、iq的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 The relationship between f1（id），f2（iq）and id，iq

由于額定電流的限制，id、iq實(shí)際應(yīng)用時(shí)絕對(duì)值不能太大，且由于RS、ωLS較小，則有

進(jìn)一步簡(jiǎn)化得

通過(guò)式（10），可以得出與前述理論分析類(lèi)似的結(jié)論。綜上，有以下結(jié)論：①f（id，iq）隨iq增大而增大；②f（id，iq）基本不隨id變化而變化。

參考上述結(jié)論，高電壓穿越時(shí)，若電網(wǎng)電壓ud很高，欲使不等式（4）成立，有如下兩種選擇：①iq越小越好，最好取負(fù)值，使變流器吸收無(wú)功功率；②母線(xiàn)電壓越高越好。上述兩種選擇，第1種符合電網(wǎng)電壓升高，要求發(fā)電設(shè)備吸收無(wú)功功率的標(biāo)準(zhǔn)要求；第2種增加變流器開(kāi)關(guān)器件壓力。加強(qiáng)其中一種選擇，可減輕另一種的壓力，需要權(quán)衡，在確保變流器安全的情況下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的外特性。

2　仿真研究

參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)光伏標(biāo)準(zhǔn)［2-3］，本文提出以下高電壓穿越要求，如圖3所示。從圖中可以看出，本文所提要求的包絡(luò)線(xiàn)均在其他所有標(biāo)準(zhǔn)之上，可完全覆蓋其他標(biāo)準(zhǔn)。

理論分析表明，在過(guò)電壓作用下，穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)可能發(fā)生變化。基于本文所提要求進(jìn)行仿真，通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真來(lái)尋找最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

圖3　本文所提高電壓穿越要求與其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Fig.3 HVRT Requirement in this paper compared with other standards

仿真對(duì)象為全功率2.0 MW變流器，電網(wǎng)額定電壓為690 V。由于滿(mǎn)載高電壓穿越對(duì)母線(xiàn)的壓力最大，因此我們選取仿真工況：滿(mǎn)載2.0 MW，1.3 p.u.過(guò)電壓。

2.1仿真1

參數(shù)設(shè)置不使能Chopper動(dòng)作（即不吸收有功功率），不使能無(wú)功支持（即不使變流器吸收無(wú)功功率）。穩(wěn)態(tài)仿真1波形如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，在電壓突升及恢復(fù)瞬間，母線(xiàn)電壓、有功功率及無(wú)功功率均受到一定的沖擊，但對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的研究不屬于本文研究的范疇，故只關(guān)注穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。從圖4中讀取穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)1：有功功率輸出2 MW，無(wú)功輸出0 Mvar，母線(xiàn)電壓1 200～ 1 225 V。

2.2仿真2

參數(shù)設(shè)置為使能Chopper動(dòng)作（即允許吸收有功），但將動(dòng)作電壓點(diǎn)設(shè)高，使其穩(wěn)態(tài)下不動(dòng)作，使能無(wú)功支持（即使變流器吸收無(wú)功功率）。穩(wěn)態(tài)仿真2波形如圖5所示。

從圖5中讀取穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)2：有功輸出2.0 MW，無(wú)功輸出約-1.5 Mvar，即吸收無(wú)功功率，母線(xiàn)電壓1 130～1 150 V。

從上述2種仿真穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)來(lái)看，穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)2外特性是符合期望值，既沒(méi)有損失有功功率，又提供了無(wú)功功率，有利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)，而且母線(xiàn)電壓也較低，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)宜采用仿真2的策略。

圖4　穩(wěn)態(tài)仿真1波形Fig.4 Waveforms of steady-state simulation 1

圖5　穩(wěn)態(tài)仿真2波形Fig.5 Waveforms of steady-state simulation 2

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)基于禾望電氣國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行，其測(cè)試平臺(tái)拓?fù)涫疽馊鐖D6所示。

圖6　禾望電氣電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Grid adaptabilities test platform of hopewind electric Co.Ltd.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3.5 MW原動(dòng)系統(tǒng)、3.5 MW雙饋發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)模擬源AC電源、690 V/897 V/2.5 MW升壓變壓器組成。由于AC Source輸出最高電壓為759 V，因而在輸出端還串入一個(gè)DYn11的升壓變壓器使得其輸出最高電壓可以達(dá)到986 V，完全覆蓋了現(xiàn)有高電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的需求。

本實(shí)驗(yàn)采用全功率2.0 MW變流器作為被測(cè)設(shè)備。為驗(yàn)證上述分析及仿真結(jié)論，此處只需選取一個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)即可。實(shí)驗(yàn)工況為1 MW負(fù)載下過(guò)電壓125%。

3.1實(shí)驗(yàn)1

高電壓穿越無(wú)功支持使能，實(shí)驗(yàn)1結(jié)果如圖7所示。圖中直流母線(xiàn)電壓為（實(shí)際直流母線(xiàn)電壓-1 000）×10后的波形。從圖7波形可以看出，高壓穿越過(guò)程中直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在1 060 V左右，無(wú)功電流q軸分量標(biāo)幺值約為-2 200，相對(duì)于高電壓穿越前的無(wú)功電流值-930，下降了1 270，即高電壓穿越期間進(jìn)行了無(wú)功支持。

圖7　實(shí)驗(yàn)1波形Fig.7 Waveforms of experiment 1

3.2實(shí)驗(yàn)2

高電壓穿越無(wú)功支持不使能，實(shí)驗(yàn)2結(jié)果如圖8所示。圖中直流母線(xiàn)電壓為（實(shí)際直流母線(xiàn)電壓-1000）×10后的波形。與圖7相比，將無(wú)功支持電流目標(biāo)濾波值替換成了有功功率（kW）。從圖8可以看出，高壓穿越過(guò)程中直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在1 145 V左右，無(wú)功支持電流q軸分量標(biāo)幺值約為-1 100，相對(duì)于高電壓穿越前的無(wú)功電流值-930，下降了170，即高電壓穿越期間基本上沒(méi)有進(jìn)行無(wú)功支持。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的波形可看出，在無(wú)功支持作用下，直流母線(xiàn)電壓下降了約85 V，無(wú)功支持有利于減小母線(xiàn)壓力，理論分析及仿真結(jié)論一致。

圖8　實(shí)驗(yàn)2波形Fig.8 Waveform of experimen t2

4　結(jié)論

（1）高電壓穿越時(shí)，要建立新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，有兩種選擇：提高母線(xiàn)電壓和吸收無(wú)功功率。

（2）高電壓穿越時(shí)，使變流器吸收無(wú)功功率，并適當(dāng)提高Chopper觸發(fā)點(diǎn)，能獲得較好的外特性。

［1］劉雪菁，朱丹，宋飛，等.風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越技術(shù)研究［J］.可再生能源，2013，31（11）：34～38.Liu Xuejing，Zhu Dan，Song Fei，et al.Feasibility analysis on high voltage ride-through of wind turbines［J］.Renewable Energy Resources，2013，31（11）：34～38（in Chinese）.

［2］Transpower New Zealand Ltd.Transmission system planning criteria［S］.2003：20～30.

［3］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定GB/T 19964-2012［S］.Standardization Administration of The People's Republic of China.Photovoltaic power station connected to power system technical standard，GB/T 19964-2012［S］.（in Chinese）.

［4］熊宇，李玉玲，陸濤濤，等.三相電壓型PWM整流器的分析和設(shè)計(jì)［J］.電源學(xué)報(bào)，2003，1（4）：545～548. Xiong Yu，Li Yuling，Lu Taotao，et al.The analysis and design of three phasees voltage soure rectifier［J］.Journal of Power Supply，2003，1（7）：545～548（in Chinese）.

Simulation and Testing Research of Wind Turbines High Voltage Ride Through

YU Junpeng，HUANG Fengyi，HU Bin
（Shenzhen Hopewind Electric Co.Ltd.，Shenzhen 518055，China）

With the increase of the capacity of wind power generation，the wind turbines may affect grid greatly. And the grid companies have proposed higher and higher grid adaptabilities for wind turbines.As one requirement of grid adaptabilities，High voltage ride through（HVRT）has become a standard in foreign countries.In our country，there has not such standard，but many researchers are，studying on this，the HVRT standard will come true soon.In this paper，using full power converter as an object of study，some researches on running states and control methods are done by theoretical analysis，simulations and tests when high voltage occurs.

high voltage ride through（HVRT）；wind turbines；full power converter；steady-state analysis

喻俊鵬

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.145

TM 921

A

喻俊鵬，男，通信作者，碩士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：yujunpeng@hopewind.com。

黃峰一，男，碩士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：huang fengyi@hopewind.com。

胡斌，男，碩士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究工作，E-mail：hubin@ hopewind.com。

2015-11-26