基于DC-Link保護的直驅風機低電壓穿越特性

艾斯卡爾，朱永利，唐彬偉，喬元，王海龍

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

基于DC-Link保護的直驅風機低電壓穿越特性

艾斯卡爾1,2，朱永利1，唐彬偉2，喬元2，王海龍2

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

研究了基于DC-Link保護回路的直驅風機在電網故障狀態下的低電壓穿越特性。研究了國家標準GB/T 19963-2011對風機低電壓穿越能力的要求。結合直驅永磁風力發電機組(PMSG)風機運行原理，構建了PMSG在PSCAD環境下的系統控制模型。結合電網三相對稱短路故障，對加裝和未加裝DC-Link保護回路的PMSG的LVRT特性進行了分析和比較。仿真結果不僅證明了所用系統模型是合理的，控制策略是有效可行的，而且還表明加裝DC-Link保護回路的PMSG具備較為優越的低電壓穿越特性。

風力發電；永磁直驅風機；DC-Link保護；低電壓穿越；PSCAD

隨著常規化石能源供應不確定性的日益加劇和一次性常規能源的日益枯竭，可再生能源越來越受到重視。風電作為重要的可再生能源，在世界各國都得到了長足的發展。其中，中國風電裝機量的增加極為迅速，已于2010年底超越美國成為全球風電裝機容量第一的國家[1]。

直驅永磁風力發電機組(PMSG)采用低速永磁同步發電機，省去了齒輪箱，維護成本低，發電效率高[2]，還具有并網友好型等諸多優點[3]，已經成為當今風機技術的發展趨勢[4-5]。

目前，PMSG在系統中所占比重在日益增加，我國最新的風電并網標準GB/T 19963-2011已開始執行，PMSG風機的并網特性，尤其是低電壓穿越(LVRT)性能值得深入研究[6]。

文獻[7-8]探討了各種PMSG的LVRT實現方案，如在直流側加裝儲能裝置、快速變槳技術方案、直流側-電網側輔助變換器或整個電場集中式LVRT實現方案等。但已大批工程化的最有效方法是DC-Link保護回路方案。

本文引入了LVRT概念，并介紹了風電并網規程對風機LVRT的要求。在介紹PMSG風機系統的基礎上，構建了PMSG風機在PSCAD環境下的仿真模型，并針對電網三相對稱短路故障，對加裝和未加裝DC-Link保護回路的LVRT特性進行了對比，不僅驗證了系統模型和控制策略的正確性和可行性，而且檢驗了PMSG較為優越的LVRT特性。

1 風電并網規程對LVRT技術要求

根據國家標準GB/T 19963-2011（以下簡稱標準）的定義，LVRT是指：當電力系統事故或擾動引起并網點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內，風機/風電場能夠保證不脫網連續運行。

風機/風電場LVRT要求如圖1所示，而標準針對風機LVRT能力的核心要求可概括如下[9]：

（1）風電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網連續運行625ms；

（2）風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到標稱電壓的90%時，風機能夠保證不脫網連續運行；

（3）風機有功功率在故障清除后至少以10%額定功率/s的功率變化率恢復至故障前的值；

（4）當電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落，且并網點電壓處于標稱電壓的20%～90%區間內時，風機應能通過注入無功電流支撐電壓恢復；動態無功電流控制的響應時間不大于75ms，持續時間應不小于550ms；風電場注入電力系統的動態無功電流應為T≥1.5×(0.9－T)N，式中：T(0.2≤T≤0.9)為并網點電壓標幺值，N為風電場額定電流。

圖1 風電場LVRT標準

2 PMSG風機系統數學模型及控制策略

圖2為PMSG主回路拓撲圖。如圖2所示，風力發電系統通過全功率變流器并網，發電機與電網之間沒有直接連接。因此，全功率變流器的特性決定了整個風力發電系統的動態特性。

圖2 永磁直驅風力發電系統拓撲結構

PMSG仿真所需的數學推導結果如下[10-13]。

2.1 發電機及機側變流器

發電機電磁轉矩方程為：

圖3 機側變流器控制框圖

2.2 電網側變流器

網側變流器的主要目的是穩定直流電壓。在兩相同步旋轉的坐標系中，使軸定向于電網電壓矢量，則逆變器的模型可以表示為：

圖4所示為網側變流器控制策略，采用內環電流外環電壓的雙環控制策略，通過控制內環電流的軸分量實現無功解耦控制。圖中、、為電網三相電壓，、、為變流器輸出三相電流，為電網電壓相位。軸電流參考值ref通過外環直流側電壓參考值dcref與實際直流側電壓dc作差通過PI控制獲得。軸電流參考值ref通過變流器最大允許電流與實際電網電壓矢量計算所得：

圖4 網側變流器控制框圖

3 DC-Link保護電路

直流側DC-Link保護回路由絕緣柵雙極型晶體管IPM電路（下文簡稱IGBT）和用于消耗有功能量的卸荷電阻組成。當電網電壓發生嚴重跌落時，風機變流器注入電網的有功迅速減少，而由于網側變流器過流能力限值問題，變流器在向電網提供較大無功電流支撐的同時，再也不能有效地將有功功率注入到電網。根據PMSG的特點，此時的PMSG風機不會進行基于變槳系統的有功功率限制措施，因此在DC-Link環節會聚集過多的有功能量，并使得直流側母線電壓隨著電網側電壓的降低或輸出有功功率的減少而迅速上升。此時，為防止過高的直流側母線電壓損壞變流器，必須投入DC-Link保護回路，通過制動電阻消耗直流側過多的能量，其策略見圖5。

圖5 直流側保護電路控制框圖

采用直流側DC-Link保護回路方案的優點是可靠性高、成本低，機側整流器受到的影響小，在電網電壓跌落時發電機工況基本不改變。但缺點是在消耗能量的同時，卸荷電阻會放出大量的熱量，使得卸荷電阻過溫。因此，卸荷電阻阻值的選擇十分關鍵，一般應考慮最嚴重情況。卸荷電阻阻值為：

4 仿真分析

為了對PMSG的LVRT特性進行深入研究，本文利用PSCAD軟件搭建了PMSG系統仿真模型，并針對電網三相對稱短路故障進行了仿真分析，見圖6～圖9。

仿真參數：額定功率1.5MW，額定電壓0.69 kV，額定轉速28 r/m in，極對數32，定子漏電阻0.064 p.u，定子線圈電阻0.017 p.u，直流電容200mF，直流電壓1.5 kV，卸荷電阻阻值0.6Ω。

故障模擬：在2 s時故障發生，在2.625 s時故障清除，故障持續時間為0.625 s，故障時風機并網點電壓跌落至20%，且風速保持恒定。

圖6 風機并網點電壓

圖7 直驅風機輸出有功功率

圖8 直驅風機輸出無功功率

圖9 變流器直流側電壓

仿真結果顯示，當未加裝DC-Link保護回路時，電網電壓跌落會導致PMSG系統輸出有功的迅速下降，變流器直流側輸入與輸出功率不平衡，使直流側電壓迅速上升。雖然此時風力發電系統能迅速發出大量無功，但風機提供的無功功率對大電網電壓的支撐作用有限。同時，網側變流器控制系統中橫軸PI調節器輸出已達深度飽和，無法達到有效調節，直流側電壓與輸出有功無法穩定，持續震蕩。在電網電壓跌落期間因直流側功率的持續不平衡，控制系統發熱調節能力已達極限，在2.18 s時刻直流側電壓達到峰值。另外，在電網電壓恢復瞬間，在直流側也會產生一個過電壓波峰。同時網側變流器控制系統縱軸PI調節器輸出也達深度飽和，風力發電系統輸出無功劇烈震蕩。由此可知，若未加裝DC-Link保護回路則必須將PMSG機組脫網以保護風機安全。

當加裝DC-Link保護回路時，控制器檢測到直流側過電壓后立即接入DC-Link保護回路，卸荷電阻消耗多余能量，使得在電壓跌落期間直流側電壓均能穩定在允許范圍內，而網側控制器中PI調節器均在可控范圍內。在電網電壓恢復后，DC-Link保護回路自動退出，網側變流器重新恢復到正常運行狀態。在整個電壓跌落期間由于DC-Link保護回路的作用，變流器一直工作在允許的工作范圍內，PMSG系統始終保持與電網相連，實現了LVRT。

通過仿真還可發現，在LVRT過程中，發電機側變流器控制策略不發生變化，風機變槳系統不動作，零機電暫態。因有功功率的分流通過DC-Link保護回路的IGBT控制實現，故障后有功功率恢復速度快，如圖7所示。另外，電網電壓恢復瞬間并不存在Overshoot問題，如圖6所示。

5 結論

本文在PSCAD仿真軟件中搭建了PMSG風機用于短路故障分析的仿真模型，仿真結果驗證了仿真模型的有效性。此外，通過仿真分析證實了直驅風機優越的LVRT特性，簡述如下：

（1）在LVRT過程中，變槳系統不動作，轉矩和轉速不變，零機電暫態，機組壽命不受影響；

（2）故障期間或故障恢復瞬間，變槳系統不動作，風機的有功功率控制由DC-Link保護回路的IGBT實現，顯然，在故障期間和故障恢復瞬間，風機有功功率損失小；

（3）故障期間，注入電網的短路電流完全可控，不僅有效支撐了電網電壓的快速恢復，而且對現有繼電保護設置無不利影響；

（4）在故障期間和故障恢復瞬間不會產生電氣量沖擊，是一種軟故障穿越。

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Low voltage ride through characteristicsof direct-drivenw ind turbine system based on DC-link protection

Aisikaer1,2,ZHU Yong-li1,TANG Bin-wei2,QIAO Yuan2,WANG Hai-long2

The low voltage ride through(LVRT)characteristics of permanentmagnet synchronous generator(PMSG) based on DC-Link protection circuitduring grid faults were studied.The demands of Chinese new nationalgrid code GB/T 19963-2011 for LVRT characteristics of w ind turbine were analyzed.Combined w ith the operating theory of PMSG w ind turbine,system controlmodelof PMSG was built under PSCAD conditions.The LVRT characteristics of PMSG w ith and w ithout DC-Link protection circuit were analyzed and com pared throurh three-phase symmetrical short-circuit faults on grid side.Simulation results show that the models and controlmethods are correct and valid, and show that PMSG equipped w ith DC-Link protection circuithas predom inant LVRT capability.

w ind power;PMSG;DC-Link protection;low voltage ride through;PSCAD

TM 614

A

1002-087 X(2014)05-0906-03

2013-10-18

艾斯卡尓(1976—)，男，新疆維吾爾族自治區人，工程師，主要研究方向為新能源電網接入技術。