電網電壓不對稱驟升下直驅式風力發電系統的高電壓穿越研究

周士瓊，王　倩，陳　隆，呂　瀟，劉東霖，倪亞玲

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都　610031；2.電子科技大學機械電子工程學院，四川 成都　610054)

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電網電壓不對稱驟升下直驅式風力發電系統的高電壓穿越研究

周士瓊1，王倩1，陳隆1，呂瀟1，劉東霖1，倪亞玲2

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都610031；2.電子科技大學機械電子工程學院，四川 成都610054)

為實現直驅式風力發電系統的高電壓穿越，提出一種在電網電壓不平衡驟升工況下，基于網側變流器的雙重控制策略。當電網電壓驟升超過額定電壓的設定倍數時，網側變流器增加無功輸出，直流母線電壓泄放電路進行電能釋放，并且觸發正負序電流控制，有效地抑制由于電網電動勢不平衡造成的直流母線電壓波動。仿真結果表明，所提控制策略能夠保證在電網發生不對稱驟升故障期間直驅式風力發電系統不脫網運行。

直驅式風力發電機組；不對稱驟升；正負序分離；高電壓穿越

近年來，隨著風力發電機組在電網中所占比例的快速增加，同時，因為風電系統的波動性的特點，給電力系統帶了很多問題，如電壓波動、功率不平衡、諧波含量大等現象，都給電力系統的穩定運行埋下隱患，所以電網對風力發電系統的并網要求不斷提高，不僅要求風力發電機組能夠輸出穩定的有功、無功功率，還要求其具備故障穿越的能力[1]。在實際運行的風電場中，很多因素可能導致電網電壓的驟升，例如，單相對地故障、風電場負載的突然切除、電網故障恢復后未及時切除風電場的無功補償裝置或未及時調整可調變壓器的分接頭等等。目前，針對并網風電機組的高電壓穿越運行與控制，國際上某些國家已制定了相應的運行規范。以澳大利亞制定的并網風力發電系統的高電壓穿越準則為例[1]，其中一點要求為：當電網電壓驟升至電網額定電壓的130%時，風電機組應至少維持60 ms不脫網，并能在故障期間為電網提供足夠大的故障恢復電流。

目前，因高電壓引起的風機脫網運行現象已得到國內外學者的關注，針對風力發電系統的高電壓穿越作出了初步研究。文獻[2] 提出一種基于串聯網側變換器的雙饋風力發電系統HVRT運行控制策略。文獻[3]提出了對稱電壓驟升故障下 DFIG 轉子側有源阻尼控制策略。文獻[4-5]分別提出在轉子勵磁控制系統中采用變阻尼和虛擬阻抗的控制策略，提高了系統的高電壓穿越性能。文獻[6]則提出了通過轉子側和網側變流器的無功動態分配原則，合理地控制和分配無功，實現風電系統的高電壓穿越。文獻[7]提出了在并網點增加無功補償器，來實現雙饋風力發電系統高電壓穿越。上述文獻所提出的一些風力發電機組的控制策略，在一定程度上可以實現高電壓穿越，但都是在電壓對稱驟升的情況下并未考慮到不平衡電壓工況下的高電壓穿越，以及有效抑制直流母線電壓的波動。

對此，首先對電網電壓驟升下直驅式風力發電機組的網側變流器電流電磁暫態過程進行分析，在此基礎上提出基于電網電流正負序控制策略。仿真分析表明，所提控制策略能夠實現風電系統的高電壓穿越，保證系統的穩定運行。

1　電網電壓驟升下網側變流器暫態分析

為消除變流器直流母線電壓波動，需要控制直流側的功率波動。不對稱故障下，對于雙饋風電機組，變流器直流側波動功率更多來自于機側；而對于直驅式風電機組，波動功率直接來自于網側。圖1為直驅式風電機組網側系統示意圖。

圖1　直驅式風電機組網側系統示意圖

網側變流器和電網的傳輸功率為

(1)

(2)

功率振蕩可通過對電壓和電流的正負序分解分析得出：

將上述分解式帶入功率表達，可得

P=P0+Pcoscos(2ωgt)+Psinsin(2ωgt)

Q=Q0+Qcoscos(2ωgt)+Qsinsin(2ωgt)式中，系數P0、Pcos、Psin、Q0、Qcos、Qsin由如下矩陣給出[8]。

然而此時電壓不平衡時，這些系數不等于0，此時功率隨時間變化。有功功率從直流母線傳輸到電網，從而決定直流母線電壓的水平。因此，若Pg發生變化，直流母線電壓也會發生脈動，且脈動以2倍電網頻率出現，威脅著變流器穩定安全地運行，嚴重時將會導致直驅式風力發電機組脫網運行。

綜上所述，當電網電壓不對稱驟升時，由于電壓電流中負序分量的存在，網側逆變器輸出的有功功率、無功功率中均含有一定的2倍工頻波動。因此，要實現直驅式風電機組的高電壓穿越，保持直流側電壓恒定，就要有效地抑制有功功率的波動。

2　不對稱電網電壓驟升情況下網側變流器的控制策略

2.1網側變流器雙重控制策略

為保證正負序分量的精確控制，有必要對其獨立調節。用2個新控制環代替原始控制環，一個工作于正序同步坐標系，另一個工作于反向旋轉的坐標系，即所謂的雙重控制[9]。

如圖2 給出了雙重控制的典型框圖。圖中有2個電流環：一個控制正序電流；一個控制負序電流。進行電流控制之前，須將測量電流分解成正負序分量。同時，該方案還需要根據所需要的功率和電網電壓計算正負序電流指令值。

圖2　雙重控制框圖

運用電網正負序雙電流環的矢量控制策略，在電網發生不對稱故障時，監測和計算網側電壓、并網電流的正負序分量，電網電流在正負同步旋轉坐標系下進行解耦，得到正、負序電流分量，經過PI調節器輸出得到控制正負序電流的調制電壓，將兩者疊加并進行調制，完成正負序電流控制，有效地抑制直流母線電壓及并網有功功率的波動。通過分別控制正負序電流使其跟蹤正負序電流的參考指令值,消除輸出到電網有功功率的2倍工頻波動量，維持直流側電壓穩定；同時，通過發出無功給定值能夠調節直驅式風電機組并網系統的功率因數，給電網提供無功支持[10-11]。

2.2不對稱故障時并網逆變器的控制目標優化

電網不對稱驟升時，需要對正序電流、負序電流分別控制，因此對正負序電流指令值的選取非常關鍵[12]。不對稱驟升時高電壓穿越控制策略的目標主要有以下3個：

1)消除直流電壓波動和逆變器有功功率波動，即Pcos=0，Psin=0；

2)消除無功功率波動，即Qcos=0，Qsin=0；

采用電網正序基波電壓定向時有vq1=0?？紤]逆變器輸出功率中的二次諧波分量，有：

由前述可知,有功功率的2倍工頻波動是導致并網逆變器無法穩定運行的直接原因,因此所提的控制策略將以消除輸出有功功率的2倍工頻波動為目標[13]。

為保持直流電壓恒定，系數Pcos、Psin必須為0。對矩陣求逆，獲得達到此目標所需的電流為

(4)

網側變換器采用式(4)計算出的電流控制指令，則傳輸至電網的功率將恒定且等于P0。無功功率的平均值也可以通過調節進行Q0控制，但會存在附加的交變功率。

3　風力發電機組HVRT的實現

圖3給出了直驅式風力發電機組的HVRT控制框圖。當電網電壓低于其正常浮動上限(這里設定為 1.1 倍標稱值)時，按照網側變流器穩定直流母線電壓；一旦檢測到電網電壓驟升至 1.1 倍標稱值及以上時，變流器進入高電壓穿越控制狀態，網側變流器通過改變無功電流增加無功輸出，觸發正負序電流控制。然后通過提高變流器無功電流來調節電網電壓。電網電壓、變流器交流測電壓、電抗器電壓三者形成矢量三角形。當電網電壓升高時，由于變流器交流測電壓不能跳變，需要調節電抗器電流增大其電壓，達到新的平衡狀態，實現了通過改變變流器無功電流來調節電網電壓。

圖3　直驅式風電機組HVRT控制流程

同時為抑制電壓驟變瞬間可能出現的母線電壓泵升，直流母線上并聯一直流卸荷 Chopper電路，當直流母線電壓升高至設定觸發開關器件IGBT導通的限制時，觸發其導通，卸荷 Chopper電路開始工作，從而確保直流環節的安全[14]。

通過網側變流器和直流母線卸荷 Chopper電路的配合，電網電壓很快恢復正常。當電網電壓恢復在正常范圍內時，網側變流器恢復正?？刂?，減小無功輸出，進行網側穩壓控制。最終能夠實現直驅式風電機組高電壓穿越的暫態過渡過程。

4　仿真分析

在 Matlab/Simulink 平臺上構建了 1 MW 直驅式風力發電系統仿真模型，電網頻率為50 Hz，直流側母線恒定電壓為560 V，來驗證所提控制策略的有效性。仿真時間為1 s，系統在0.4 s時發生電壓不對稱驟升故障，故障持續時間100 ms，0.5 s時故障消失。仿真條件設定為風電場母線電壓不對稱升高為其額定值的1.3倍。

采用電網正常條件下直驅式風力發電系統的傳統矢量控制策略作為電網發生不對稱高電壓故障時直驅式風力發電系統的控制策略，與所提出的改進控制策略進行對比分析。電網電壓發生不對稱驟升時，傳統方式下直驅式風力發電系統HVRT仿真結果如圖4～圖9所示。

圖4　電網電壓波形

圖5　網側變流器交流側電流波形

從圖4可以看出，電網電壓發生不對稱驟升時，由于電網電壓負序分量的作用，三相電流出現了較大的畸變；對三相電流進行諧波分析，其中含有大量的諧波，同時三相電流的基波幅值出現明顯的不平衡，嚴重影響風電機組輸出電能質量。由于三相電流和三相電壓中負序成分的作用，逆變器輸出的有功電流和無功電流均會出現2倍工頻的波動。從圖6～圖8中可以觀察出，直流側母線電壓從 0.4 s 開始出現2倍工頻的波動。逆變器輸出電流的dq分量在穩態時均為直流量，0.4 s后，逆變器輸出電流dq軸分量均出現了二次波動。從圖7得出，直驅式風電機組的并網逆變器輸出到電網的有功功率、無功功率也以2倍工頻波動，影響直驅式風力發電并網系統的穩定運行，如果風機并網點電壓驟升越高，風機并網系統受其影響越大。因此，為保證直驅式風機并網系統在電網發生不對稱電網電壓驟升故障時不脫離電網，提高其高電壓穿越能力，須對其網側變流器的控制策略進行改進。

圖6　直流母線電壓波形

圖7　變流器有功功率和無功功率波形

圖8　輸出電流 d-q 軸分量波形

如圖9～圖11所示，則給出了所提的采用正負序雙電流環矢量控制策略(雙重控制策略)結合直流側能量泄放回路的直驅式風力發電系統高電壓穿越運行的仿真圖。其控制目標是在故障時消除輸出有功功率的2倍工頻波動。在0.4 s～0.5 s期間，如圖9，直流母線電壓的波動得到了明顯的抑制；在圖10中，并網逆變器的輸出三相電流出現不平衡。但從圖11可以看出，網側變流器的輸出有功功率基本恒定，基本上沒有出現2倍頻率的波動，但這就導致了輸出電流的不平衡以及輸出無功功率以2倍頻波動。然而，這樣的故障過程是短暫的，可以忽略電流質量問題，必須保證并網變流器穩定，抑制并網有功功率以及直流母線電壓的波動。

圖9　直流母線電壓波形

圖10　網側變流器交流側電流波形

圖11　變流器有功功率和無功功率波形

由仿真結果可以看出，采用電網正負序雙電流環矢量控制策略，對并網電流的正負序分量分別控制后，當電網突然發生不對稱故障時，直驅式發電系統的網側變流器輸出到電網的有功功率、無功功率、并網點三相電流及直流側電壓經過短暫的調節后進入穩態運行，并網有功功率的2倍工頻分量被有效抑制，而控制目標中無法消除無功功率的2倍工頻分量。直流母線電壓經短暫的調節后能夠運行于原來的穩態值，其2倍工頻波動也能夠被有效抑制，保證了整個系統的穩定運行。

5　結　論

針對直驅式風力發電機組在不平衡電壓驟升情況下，實現高電壓穿越，通過對網側變流器的電流電磁暫態分析，提出了一種基于正負序雙電流環矢量控制策略。有效降低了當電網電壓驟升時，系統故障停機，燒壞功率器件的概率。通過仿真研究表明，所提出的改進控制策略，與實際理論相符合，可以實現直驅式風力發電機組的高電壓穿越，為提高電壓驟升故障下大型風電系統及其所并電網的安全穩定運行能力奠定基礎。

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A dual control strategy is proposed based on grid-side converter to achieve the high voltage ride through of direct-driven wind power generation system under unbalanced grid voltage swell. When the grid voltage is higher than the set multiple of rated voltage, the grid-side converter increases the reactive power output, the DC bus voltage discharge circuit releases energy and triggers the positive and negative sequence current control, which effectively suppresses the fluctuation of DC bus voltage due to the unbalanced electromotive force of the grid. Simulation results show that the proposed control strategy can guarantee the direct-driven wind power generation system is not in off-grid operation during the unsymmetrical grid voltage swell.

direct-driven wind turbine generators; unsymmetrical voltage swell; positive and negative sequence detection; high voltage ride through (HVRT)

TM613

A

1003-6954(2016)04-0062-05

2016-03-30)