艾斯卡爾，朱永利，唐彬偉，喬元，王海龍

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

基于DC-Link保護(hù)的直驅(qū)風(fēng)機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

研究了基于DC-Link保護(hù)回路的直驅(qū)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障狀態(tài)下的低電壓穿越特性。研究了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011對風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力的要求。結(jié)合直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(PMSG)風(fēng)機(jī)運(yùn)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(hù)回路的PMSG的LVRT特性進(jìn)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(hù)回路的PMSG具備較為優(yōu)越的低電壓穿越特性。

風(fēng)力發(fā)電；永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)；DC-Link保護(hù)；低電壓穿越；PSCAD

隨著常規(guī)化石能源供應(yīng)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(fēng)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(fēng)電裝機(jī)量的增加極為迅速，已于2010年底超越美國成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一的國家[1]。

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(PMSG)采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了齒輪箱，維護(hù)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(diǎn)[3]，已經(jīng)成為當(dāng)今風(fēng)機(jī)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(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011已開始執(zhí)行，PMSG風(fēng)機(jī)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(xiàn)[7-8]探討了各種PMSG的LVRT實(shí)現(xiàn)方案，如在直流側(cè)加裝儲(chǔ)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(gè)電場集中式LVRT實(shí)現(xiàn)方案等。但已大批工程化的最有效方法是DC-Link保護(hù)回路方案。

本文引入了LVRT概念，并介紹了風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程對風(fēng)機(jī)LVRT的要求。在介紹PMSG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了PMSG風(fēng)機(jī)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(hù)回路的LVRT特性進(jìn)行了對比，不僅驗(yàn)證了系統(tǒng)模型和控制策略的正確性和可行性，而且檢驗(yàn)了PMSG較為優(yōu)越的LVRT特性。

1 風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程對LVRT技術(shù)要求

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）的定義，LVRT是指：當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍和時(shí)間間隔內(nèi)，風(fēng)機(jī)/風(fēng)電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)/風(fēng)電場LVRT要求如圖1所示，而標(biāo)準(zhǔn)針對風(fēng)機(jī)LVRT能力的核心要求可概括如下[9]：

（1）風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms；

（2）風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；

（3）風(fēng)機(jī)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(fù)至故障前的值；

（4）當(dāng)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(diǎn)電壓處于標(biāo)稱電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)能通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)；動(dòng)態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75ms，持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于550ms；風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流應(yīng)為T≥1.5×(0.9－T)N，式中：T(0.2≤T≤0.9)為并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值，N為風(fēng)電場額定電流。

圖1 風(fēng)電場LVRT標(biāo)準(zhǔn)

2 PMSG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及控制策略

圖2為PMSG主回路拓?fù)鋱D。如圖2所示，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過全功率變流器并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)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(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PMSG仿真所需的數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)果如下[10-13]。

2.1 發(fā)電機(jī)及機(jī)側(cè)變流器

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

圖3 機(jī)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(biāo)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(shí)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(shí)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(shí)際電網(wǎng)電壓矢量計(jì)算所得：

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

3 DC-Link保護(hù)電路

直流側(cè)DC-Link保護(hù)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(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴(yán)重跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)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(shí)，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(diǎn)，此時(shí)的PMSG風(fēng)機(jī)不會(huì)進(jìn)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(huì)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(shí)，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(hù)回路，通過制動(dòng)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(hù)電路控制框圖

采用直流側(cè)DC-Link保護(hù)回路方案的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、成本低，機(jī)側(cè)整流器受到的影響小，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)發(fā)電機(jī)工況基本不改變。但缺點(diǎn)是在消耗能量的同時(shí)，卸荷電阻會(huì)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(yīng)考慮最嚴(yán)重情況。卸荷電阻阻值為：

4 仿真分析

為了對PMSG的LVRT特性進(jìn)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(jìn)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(shí)故障發(fā)生，在2.625 s時(shí)故障清除，故障持續(xù)時(shí)間為0.625 s，故障時(shí)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%，且風(fēng)速保持恒定。

圖6 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖7 直驅(qū)風(fēng)機(jī)輸出有功功率

圖8 直驅(qū)風(fēng)機(jī)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(dāng)未加裝DC-Link保護(hù)回路時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落會(huì)導(dǎo)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(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能迅速發(fā)出大量無功，但風(fēng)機(jī)提供的無功功率對大電網(wǎng)電壓的支撐作用有限。同時(shí)，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(dá)深度飽和，無法達(dá)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(dá)極限，在2.18 s時(shí)刻直流側(cè)電壓達(dá)到峰值。另外，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間，在直流側(cè)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過電壓波峰。同時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)縱軸PI調(diào)節(jié)器輸出也達(dá)深度飽和，風(fēng)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(hù)回路則必須將PMSG機(jī)組脫網(wǎng)以保護(hù)風(fēng)機(jī)安全。

當(dāng)加裝DC-Link保護(hù)回路時(shí)，控制器檢測到直流側(cè)過電壓后立即接入DC-Link保護(hù)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(fù)后，DC-Link保護(hù)回路自動(dòng)退出，網(wǎng)側(cè)變流器重新恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。在整個(gè)電壓跌落期間由于DC-Link保護(hù)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(shí)現(xiàn)了LVRT。

通過仿真還可發(fā)現(xiàn)，在LVRT過程中，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制策略不發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)不動(dòng)作，零機(jī)電暫態(tài)。因有功功率的分流通過DC-Link保護(hù)回路的IGBT控制實(shí)現(xiàn)，故障后有功功率恢復(fù)速度快，如圖7所示。另外，電網(wǎng)電壓恢復(fù)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(fēng)機(jī)用于短路故障分析的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的有效性。此外，通過仿真分析證實(shí)了直驅(qū)風(fēng)機(jī)優(yōu)越的LVRT特性，簡述如下：

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

（2）故障期間或故障恢復(fù)瞬間，變槳系統(tǒng)不動(dòng)作，風(fēng)機(jī)的有功功率控制由DC-Link保護(hù)回路的IGBT實(shí)現(xiàn)，顯然，在故障期間和故障恢復(fù)瞬間，風(fēng)機(jī)有功功率損失小；

（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(fù)，而且對現(xiàn)有繼電保護(hù)設(shè)置無不利影響；

（4）在故障期間和故障恢復(fù)瞬間不會(huì)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?yàn)樾履茉措娋W(wǎng)接入技術(shù)。