雙饋風電機組高電壓穿越協調控制策略

張 謙，蔣永梅，丁 敏，金武杰，金晨星

（國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

隨著電力系統中風電比例的提高，風電對電力系統的影響也越來越大。為避免風電場脫網事故的發生，相關技術規程要求風電機組必須具備故障穿越能力。國內外針對無功功率過剩導致的機組電壓驟升情況下的暫態控制研究較少。本文針對DFIG（雙饋風電機組）HVRT（高電壓穿越）方法及控制策略展開研究。

目前針對機組高電壓穿越的研究已經得到國內外學者的廣泛關注。文獻[1-2]采用轉子側外接Crowbar（撬棒）的方法提高機組的故障穿越能力，但Crowbar投入期間，機組需從電網側吸收無功進行勵磁，不利于電網穩定。文獻[3-4]采用限制風電機組電磁功率和調節槳距角來減少RSC（轉子側變流器）輸入功率，從而減小傳輸到電容上的功率，達到抑制直流側電壓Udc升高的效果。但是調節槳距角的方法響應時間長，不能及時參與故障穿越。文獻[5-6]采用加裝Chopper（斬波器）和儲能裝置來消除變流器兩側功率流動差值，但投入Chopper可能引起電壓波動。文獻[7-13]采用增大GSC（網側變流器）輸出功率，但該方法成本較高。

本文綜合考慮經濟性、技術可行性及響應速度，以提升風電機組的高電壓穿越能力和改善高電壓穿越結束后風電機組的穩定運行能力為出發點，采用發電機組SSL（定子側串聯電抗）、直流側增加卸荷電路的方法，提出GSC參與無功調節的高電壓穿越協調控制策略，減少SVC（靜止無功補償裝置）的投資成本，提高高電壓穿越能力。并在PSCAD平臺上搭建含雙饋風電機組的風電場模型，仿真驗證了綜合控制策略的優越性。

1 電壓驟升故障情況下DFIG暫態特性分析

折算到定子側后，DFIG在兩相轉子坐標系中的方程如下（電動機慣例）：

式中：上標r表示兩相轉子坐標系；Rs，Rr分別為定子、轉子電阻；Ls，Lr分別為定子、轉子電抗；Lm為定子、轉子之間的互感；us，ur分別為定子、轉子電壓；is，ir分別為定子、轉子電流；ψs，ψr分別為定子、轉子磁鏈；ωs為同步轉速；ωr為轉子轉速。

由式（1）可得轉子磁鏈ψr為：

將式（2）代入式（1）中得到：

可以得出轉子電壓的穩態方程：

式中：s=ωr/ωs為滑差率。

設t=t0時刻電網側任意位置發生故障，機組機端電壓驟升，故障前后us為：

式中：m為電壓驟升系數。

根據磁鏈守恒定律，可得故障前后ψsf方程為：

由式（7）可得，t≥t0時轉子電動勢為：

由式（8）可得，當t=t0時，ur0最大。因磁鏈不能突變，dir/dt=0。又Rr，Lr很小，忽略在其上面的壓降，則轉子電壓最大值為：

故障前后 Rr，Lr不變，由 I=ur/Rr可知，k=根據風電機組HVRT要求可知，電壓驟升系數m最大值為0.3。當m=0.3，s=0.3時，f最大，值為2。由此可知，Ir＜2Irr，因此轉子側不需要加入保護裝置。

定子電壓的線電壓最大值為 0.69×1.414=0.975 66 kV，若要保證其不通過反并聯二極管對直流母線電容反充電，則需要滿足定子電壓上升倍數小于1.1×1.1/0.975 66=1.24。因此，當us≤1.24uN時，直流母線側不需要加入保護裝置；當us＞1.24uN時，us通過反并聯二極管對電容反充電，此時需要加入保護裝置[14]。

2 基于HVRT約束的DFIG控制架構

為了提升機組HVRT能力和HVRT結束后的穩定性，本文提出基于SSL和Chopper保護電路的控制策略實現DFIG高電壓穿越，其結構如圖1所示。

2.1 SSL阻值的整定

SSL由一組電感和可控晶閘管并聯組成。故障發生前，晶閘管導通，使電感被旁路；發生故障時，晶閘管關斷，電感被串入線路中。

將式（1）中消去 is， us， ψr， 得到關于轉子電流的一階微分方程：

將式（11）帶入EMF表達式中得到故障發生前的EMF為：

式中：s為轉差率。

同理，故障后的EMF為：

EMF的大小與繞組切割磁場的速度成正比。定子磁鏈中的暫態衰減分量產生的是靜止磁場，轉子繞組以ωr的速度切割該靜止磁場，感生的電動勢與ωr（或者說1-s）成正比。而強制周期分量在轉子中感生的電動勢與s成正比。

聯立式（11）、 （13），得到故障后關于轉子電流ir的一階微分方程：

解方程（14），故障后轉子電流方程為：

式中： σ′=1-Lm/Lr（Ls+SSL）； C 為常數， 且有 C=ir（0-）。

變流器采用SVC變流器調制方式，變流器輸出電壓的幅值上限為，將式（15）中的替換為； 轉子電流最大值出現在故障后1/2周期左右，因此時間取0.5T（T為同步周期）。因此由式（15）得到的轉子電流峰值的表達式為：

式中：Udc是直流母線上的電容電壓。式（16）是關于定子串聯電抗的一元復雜函數，可以通過作圖法對定子串聯電抗阻值進行整定，轉子電流最大值為Ir_th=1.5 p.u.。

2.2 卸荷電路的控制策略

傳統的投切方式為：當Udc小于Udc-max時，Chopper不投入；當Udc不小于Udc-max時，快速投入Chopper。卸荷電阻/ΔP為變流器兩側功率流動差值。

本文提出一種改進的Chopper控制方法，投切邏輯見圖2。圖中：U1為卸荷電路切除門檻值（0.9 p.u.）； U2為卸荷電路投入門檻值（1.1 p.u.）。當Udc≥U2時，卸荷電路投入；Udc＜U1時，卸荷電路切除。

圖2 卸荷電路投切邏輯

當采用傳統投切方法時，直流電壓曲線出現突變，且Chopper長時間投入，不利于散熱。然而采用本文提出的方法時，直流側電壓波動幅值很小，且Chopper間歇性運行，大大縮短了在電路中的運行時間，有利于散熱。直流側電壓對比如圖3所示。

2.3 GSC無功控制策略

圖3 直流側電壓對比

當電網電壓驟升時，若電壓在1.24 p.u.以內，控制GSC使其發出感性無功，實現機組高電壓穿越；網側無功控制策略如圖4所示。

圖4 GSC控制框圖

3 基于HVRT約束的DFIG控制策略

研究表明，SSL在電壓驟升較高（1.24～1.3 p.u.）時投入運行可有效限制轉子側短路電流；電壓驟升較低（1.1～1.24 p.u.）時， SSL 接入電路對機組的穩定運行造成不利影響。為了提升機組的高電壓穿越能力和高電壓穿越結束后機組穩定運行能力，本文所采用的控制策略如圖5所示。

圖5 DFIG實現故障穿越控制策略

當電網電壓驟升時，若電壓在1.24 p.u.以內，控制GSC使其發出感性無功，實現機組高電壓穿越；若電壓繼續驟升至1.24 p.u.以上，可能會出現轉子側過電流、直流母線側過電壓，此時通過投入SSL限制轉子側過電流，投入卸荷電路限制直流母線側過電壓。

4 仿真驗證及分析

4.1 故障穿越仿真模型

為仿真驗證該方案的正確性，基于PSCAD/EMTDC平臺搭建雙饋風電場并網模型，如圖6所示。機組部分參數見表1，卸荷電阻取0.3 Ω。

圖6 風電系統高電壓穿越仿真模型

表1 雙饋風電機組參數

4.2 HVRT特性仿真分析

圖7為并網點電壓u，定子電壓us，直流電壓udc，網側電流ig，機組有功功率Pg，機組無功功率Qg仿真曲線。由圖可見，t=2 s時u驟升30%，t=2.625 s時刻結束。

圖7中，DFIG在并網點電壓驟升情況下并未脫網，GSC向系統輸送感性無功時輸出電流低于正常值，且并未出現過流現象。本文的Chopper控制策略，阻止了udc的上升，保證了變流器和機組安全；在機組HVRT時，GSC能夠快速響應電壓驟升情況，向系統輸送一定的感性無功，降低并網點電壓使其恢復至額定狀態。由此可見，本文提出的定子串聯電抗、直流側Chopper、GSC感性無功模式相互配合的方法是可行的，能夠幫助雙饋風電機組實現HVRT。

圖7 雙饋機組HVRT特性曲線

5 結語

為改進傳統高電壓穿越技術，本文采用定子串聯電抗和直流側卸荷電路限制轉子側過電流及直流母線側過電壓。在電網電壓驟升故障情況下，GSC無功控制策略發出感性無功，拉低電網電壓。并在PSCAD/EMTDC中構建并網模型，驗證了該控制策略的可行性和優越性。