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(qū)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(qū)風機在電網(wǎng)故障狀態(tài)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(jié)合直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組(PMSG)風機運行原理，構(gòu)建了PMSG在PSCAD環(huán)境下的系統(tǒng)控制模型。結(jié)合電網(wǎng)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(jié)果不僅證明了所用系統(tǒng)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(yōu)越的低電壓穿越特性。

風力發(fā)電；永磁直驅(qū)風機；DC-Link保護；低電壓穿越；PSCAD

隨著常規(guī)化石能源供應不確定性的日益加劇和一次性常規(guī)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(fā)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(qū)永磁風力發(fā)電機組(PMSG)采用低速永磁同步發(fā)電機，省去了齒輪箱，維護成本低，發(fā)電效率高[2]，還具有并網(wǎng)友好型等諸多優(yōu)點[3]，已經(jīng)成為當今風機技術(shù)的發(fā)展趨勢[4-5]。

目前，PMSG在系統(tǒng)中所占比重在日益增加，我國最新的風電并網(wǎng)標準GB/T 19963-2011已開始執(zhí)行，PMSG風機的并網(wǎng)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(xiàn)方案，如在直流側(cè)加裝儲能裝置、快速變槳技術(shù)方案、直流側(cè)-電網(wǎng)側(cè)輔助變換器或整個電場集中式LVRT實現(xiàn)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(wǎng)規(guī)程對風機LVRT的要求。在介紹PMSG風機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了PMSG風機在PSCAD環(huán)境下的仿真模型，并針對電網(wǎng)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(tǒng)模型和控制策略的正確性和可行性，而且檢驗了PMSG較為優(yōu)越的LVRT特性。

1 風電并網(wǎng)規(guī)程對LVRT技術(shù)要求

根據(jù)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(tǒng)事故或擾動引起并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風機/風電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)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(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms；

（2）風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)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(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落，且并網(wǎng)點電壓處于標稱電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時，風機應能通過注入無功電流支撐電壓恢復；動態(tài)無功電流控制的響應時間不大于75ms，持續(xù)時間應不小于550ms；風電場注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流應為T≥1.5×(0.9－T)N，式中：T(0.2≤T≤0.9)為并網(wǎng)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(tǒng)數(shù)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(fā)電系統(tǒng)通過全功率變流器并網(wǎng)，發(fā)電機與電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)特性。

圖2 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

PMSG仿真所需的數(shù)學推導結(jié)果如下[10-13]。

2.1 發(fā)電機及機側(cè)變流器

發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

圖3 機側(cè)變流器控制框圖

2.2 電網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器的主要目的是穩(wěn)定直流電壓。在兩相同步旋轉(zhuǎn)的坐標系中，使軸定向于電網(wǎng)電壓矢量，則逆變器的模型可以表示為：

圖4所示為網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，采用內(nèi)環(huán)電流外環(huán)電壓的雙環(huán)控制策略，通過控制內(nèi)環(huán)電流的軸分量實現(xiàn)無功解耦控制。圖中、、為電網(wǎng)三相電壓，、、為變流器輸出三相電流，為電網(wǎng)電壓相位。軸電流參考值ref通過外環(huán)直流側(cè)電壓參考值dcref與實際直流側(cè)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(wǎng)電壓矢量計算所得：

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

3 DC-Link保護電路

直流側(cè)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(wǎng)電壓發(fā)生嚴重跌落時，風機變流器注入電網(wǎng)的有功迅速減少，而由于網(wǎng)側(cè)變流器過流能力限值問題，變流器在向電網(wǎng)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(wǎng)。根據(jù)PMSG的特點，此時的PMSG風機不會進行基于變槳系統(tǒng)的有功功率限制措施，因此在DC-Link環(huán)節(jié)會聚集過多的有功能量，并使得直流側(cè)母線電壓隨著電網(wǎng)側(cè)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(cè)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(cè)過多的能量，其策略見圖5。

圖5 直流側(cè)保護電路控制框圖

采用直流側(cè)DC-Link保護回路方案的優(yōu)點是可靠性高、成本低，機側(cè)整流器受到的影響小，在電網(wǎng)電壓跌落時發(fā)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(guān)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(tǒng)仿真模型，并針對電網(wǎng)三相對稱短路故障進行了仿真分析，見圖6～圖9。

仿真參數(shù)：額定功率1.5MW，額定電壓0.69 kV，額定轉(zhuǎn)速28 r/m in，極對數(shù)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(fā)生，在2.625 s時故障清除，故障持續(xù)時間為0.625 s，故障時風機并網(wǎng)點電壓跌落至20%，且風速保持恒定。

圖6 風機并網(wǎng)點電壓

圖7 直驅(qū)風機輸出有功功率

圖8 直驅(qū)風機輸出無功功率

圖9 變流器直流側(cè)電壓

仿真結(jié)果顯示，當未加裝DC-Link保護回路時，電網(wǎng)電壓跌落會導致PMSG系統(tǒng)輸出有功的迅速下降，變流器直流側(cè)輸入與輸出功率不平衡，使直流側(cè)電壓迅速上升。雖然此時風力發(fā)電系統(tǒng)能迅速發(fā)出大量無功，但風機提供的無功功率對大電網(wǎng)電壓的支撐作用有限。同時，網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中橫軸PI調(diào)節(jié)器輸出已達深度飽和，無法達到有效調(diào)節(jié)，直流側(cè)電壓與輸出有功無法穩(wěn)定，持續(xù)震蕩。在電網(wǎng)電壓跌落期間因直流側(cè)功率的持續(xù)不平衡，控制系統(tǒng)發(fā)熱調(diào)節(jié)能力已達極限，在2.18 s時刻直流側(cè)電壓達到峰值。另外，在電網(wǎng)電壓恢復瞬間，在直流側(cè)也會產(chǎn)生一個過電壓波峰。同時網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)縱軸PI調(diào)節(jié)器輸出也達深度飽和，風力發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)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(cè)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(cè)電壓均能穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，而網(wǎng)側(cè)控制器中PI調(diào)節(jié)器均在可控范圍內(nèi)。在電網(wǎng)電壓恢復后，DC-Link保護回路自動退出，網(wǎng)側(cè)變流器重新恢復到正常運行狀態(tài)。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(nèi)，PMSG系統(tǒng)始終保持與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)了LVRT。

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

5 結(jié)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(jié)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(qū)風機優(yōu)越的LVRT特性，簡述如下：

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

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

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

（4）在故障期間和故障恢復瞬間不會產(chǎn)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(qū)人，工程師，主要研究方向為新能源電網(wǎng)接入技術(shù)。