艾斯卡爾 ，朱永利 ，王海龍

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，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）

0 引言

受環(huán)保問(wèn)題和節(jié)能減排政策的推動(dòng)，風(fēng)電等可再生綠色能源越來(lái)越受到重視，對(duì)風(fēng)能大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用的需求也一直在快速增長(zhǎng)。但風(fēng)是一種可控性較差的能源，其并網(wǎng)友好性問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)研究課題。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，尤其是風(fēng)電大規(guī)模集中接入電網(wǎng)，風(fēng)電所起到的作用也變得越來(lái)越重要。與此同時(shí)，風(fēng)電與電網(wǎng)間的相互影響也變得越來(lái)越明顯，尤其是風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障的抵御能力已引起專(zhuān)業(yè)人員的重視［1］。

過(guò)去，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組因自身安全原因，一般都會(huì)自動(dòng)與電網(wǎng)解列。由于當(dāng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，這種自動(dòng)解列不會(huì)造成電網(wǎng)的安全／穩(wěn)定性問(wèn)題。目前，風(fēng)電在電網(wǎng)中的占比已經(jīng)達(dá)到較高的水平，若風(fēng)電機(jī)組還不具備一定的電網(wǎng)故障抵御能力，一遇到電網(wǎng)故障就自動(dòng)解列，則會(huì)增加局部電網(wǎng)故障的恢復(fù)控制難度，惡化電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，甚至?xí)觿」收?、引起連鎖反應(yīng)并導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰［2-5］。

因此，為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各國(guó)的電網(wǎng)部門(mén)根據(jù)自身實(shí)際情況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電力接入提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求［6］。其中，風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越 HVRT（High-Voltage Ride-Through）技術(shù)被公認(rèn)是最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一，逐漸成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

本文圍繞永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組PMSG（Permanent Magnet Synchronous wind turbine Generator）的 HVRT技術(shù)問(wèn)題，研究了已有的相關(guān)文獻(xiàn)［7-9］和當(dāng)今世界主流市場(chǎng)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程和相關(guān)報(bào)告［10-17］，探討了PMSG在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)的暫態(tài)特性［18-22］；然后，結(jié)合實(shí)際PMSG系統(tǒng)，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)HVRT功能的控制方法；最后，在PSCAD環(huán)境下搭建了仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明所提方法能夠有效提高PMSG的HVRT能力。

1 各國(guó)HVRT技術(shù)要求

通過(guò)對(duì)各國(guó)并網(wǎng)規(guī)程的分析研究可知，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿(mǎn)足的HVRT技術(shù)指標(biāo)主要有如下幾項(xiàng)。

1.1 過(guò)電壓類(lèi)型

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組需要穿越的過(guò)電壓故障類(lèi)型而言，各國(guó)并網(wǎng)規(guī)程規(guī)定的對(duì)應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組HVRT功能的過(guò)電壓類(lèi)型有工頻過(guò)電壓（電網(wǎng)過(guò)電壓的正序分量）、操作過(guò)電壓或諧振過(guò)電壓，如約旦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過(guò)電壓類(lèi)型包括了工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。

1.2 過(guò)電壓幅值及其持續(xù)時(shí)間

一般而言，并網(wǎng)規(guī)程會(huì)規(guī)定：并網(wǎng)點(diǎn)電壓持續(xù)x s不超過(guò)y p.u.時(shí)機(jī)組不應(yīng)脫網(wǎng)，并保持連續(xù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。如澳大利亞NER標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.3 p.u.時(shí)至少工作 60 ms，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在 1.1～1.3 p.u.期間至少工作900ms。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 19963—2011對(duì)風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力并沒(méi)有明確規(guī)定，只提出“當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過(guò)額定電壓的110%時(shí)，HVRT特性由風(fēng)電機(jī)組的性能確定”。

1.3 HVRT期間風(fēng)電機(jī)組功率控制要求

風(fēng)電機(jī)組功率控制要求包括HVRT期間的有功功率和無(wú)功功率控制。如德國(guó)E.ON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓升至 1.2 p.u.時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)在 1.1～1.2 p.u.期間吸收一定的無(wú)功功率。

1.4 其他指標(biāo)

為了使風(fēng)電機(jī)組具備針對(duì)電網(wǎng)過(guò)電壓故障的抵御能力（HVRT能力），各國(guó)并網(wǎng)規(guī)程應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的過(guò)電壓故障判斷速度、HVRT頻次等其他指標(biāo)提出技術(shù)要求。目前，各國(guó)并網(wǎng)規(guī)程對(duì)這些問(wèn)題都沒(méi)有明確規(guī)定。因此，風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力的技術(shù)開(kāi)發(fā)只能參照風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

可見(jiàn)，各國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的HVRT要求主要有：（1）過(guò)電壓幅值及其持續(xù)時(shí)間；（2）過(guò)電壓故障類(lèi)型；（3）過(guò)電壓期間風(fēng)電機(jī)組的有功／無(wú)功控制方式。

表1匯總了各國(guó)并網(wǎng)規(guī)程HVRT技術(shù)要求（細(xì)則可以查看并網(wǎng)規(guī)程原文）。

表1 世界主流市場(chǎng)風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的HVRT技術(shù)要求Table 1 Technical requirements of HVRT stipulated in grid-connection codes for wind farm by different contries

2 PMSG的HVRT暫態(tài)特性

PMSG主回路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 PMSG主回路拓?fù)鋱DFig.1 Main circuit topology of PMSG system

從圖1可知，發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)AC-DC-AC全功率變流器與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)輸出側(cè)與風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)已被頻率／電壓解耦，因此機(jī)組的HVRT等并網(wǎng)特性主要與電網(wǎng)側(cè)變流器有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓驟升時(shí)，注入電網(wǎng)的潮流方向?qū)⒏淖?，電網(wǎng)將向風(fēng)電機(jī)組注入一定的逆向能量。另外，在HVRT期間，按照PMSG設(shè)計(jì)理念，機(jī)組變槳系統(tǒng)不工作，從發(fā)電機(jī)注入變流器的功率大小不發(fā)生變化。因此，在變流器整流側(cè)注入的能量和電網(wǎng)側(cè)變流器逆向能量的疊加作用下，變流器直流電壓會(huì)急劇上升?？梢?jiàn)，直流側(cè)過(guò)電壓是因直流回路輸入、輸出能量的不平衡引起，如果直流回路的多余能量沒(méi)能得到轉(zhuǎn)移或消耗，則會(huì)導(dǎo)致直流電容的損壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

3 PMSG的HVRT功能開(kāi)發(fā)

3.1 PMSG的HVRT解決方案基本思路

HVRT期間PMSG的能量平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 PMSG系統(tǒng)在HVRT運(yùn)行時(shí)的能量平衡關(guān)系Fig.2 Energy balance of PMSG system during HVRT

從圖2可知，PMSG在HVRT期間的主回路功率平衡關(guān)系可用式（1）表示。

其中，Pgen為發(fā)電機(jī)輸出有功功率；Pgrid為PMSG注入電網(wǎng)的有功功率；Pneg為電網(wǎng)注入PMSG的逆向有功功率；Pdc為直流母線(xiàn)有功功率；PR為直流側(cè)卸荷電阻所消耗的有功功率；Udc為直流側(cè)電壓；Idc為直流側(cè)電流。

從式（1）可知，Pdc能承載的功率是一定的，因?yàn)橹绷鱾?cè)電容能儲(chǔ)存的功率是一定的。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)高電壓時(shí)，由于Pgrid的減少和逆向功率Pneg的存在，式（1）所示的平衡關(guān)系會(huì)被破壞。因此，為了保證直流電壓處于允許范圍內(nèi)，并使PMSG具備HVRT能力，可使用以下3種方法。

（1）減少 Pgen。

因變槳系統(tǒng)速度問(wèn)題很難快速減少Pgen，無(wú)法實(shí)現(xiàn)式（1）所示的功率平衡關(guān)系。另外，按照PMSG設(shè)計(jì)理念，為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的零機(jī)／電暫態(tài)沖擊，不推薦使用快速變槳技術(shù)。

（2）減少 Pneg或增加 Pgrid。

因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)過(guò)電壓通常是由電網(wǎng)的暫態(tài)行為引起的，且因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)過(guò)電壓引起的逆向潮流的存在，Pneg無(wú)法避免，Pgrid也很難增加，故該方法不可行。

（3）把剩余Pdc快速轉(zhuǎn)移或消耗掉。

該方法實(shí)際上就是通過(guò)加裝額外設(shè)備消耗／轉(zhuǎn)移直流環(huán)節(jié)中的多余能量，從而使Pdc始終處在正常直流電壓所對(duì)應(yīng)的功率范圍內(nèi)。

可見(jiàn)，方案3是比較可行的方法。

3.2 PMSG低成本HVRT實(shí)現(xiàn)方法

在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，使d軸定向于電網(wǎng)電壓向量，則逆變器的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

其中，ud、uq分別為逆變器輸出側(cè)電壓d、q軸分量；Ls、Rs分別為輸出側(cè)電感和電阻；Ns為電磁轉(zhuǎn)速；id、iq分別為逆變器電流d、q軸分量；usd為電網(wǎng)電壓d軸分量。

同理，功率方程推導(dǎo)如下：

其中，Qgrid為機(jī)組注入電網(wǎng)的無(wú)功功率。

與式（2）和式（3）對(duì)應(yīng)的機(jī)組電網(wǎng)側(cè)逆變器和直流Chopper回路的HVRT控制框圖如圖3所示。

圖3 PMSG系統(tǒng)的HVRT控制原理Fig.3 Schematic diagram of HVRT control for PMSG system

圖3中，UABC為機(jī)組電網(wǎng)側(cè)三相電壓；IABC為機(jī)組電網(wǎng)側(cè)三相電流；Idref為有功電流給定值；Iqref為無(wú)功電流給定值；Udcref為直流母線(xiàn)電壓給定值；Qref為外部無(wú)功功率控制指令；θ為電網(wǎng)側(cè)電壓的相位角。

從圖3可知，在正常運(yùn)行模式下，運(yùn)行模式控制器按照UABC信號(hào)對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行判斷。若機(jī)端電壓在 0.9～1.1 p.u.之間，則進(jìn)入正常運(yùn)行模式。 此時(shí)，Iqref的計(jì)算按Qref執(zhí)行，Idref的計(jì)算按照Udcref執(zhí)行。Qref的最大值按照式（4）計(jì)算獲得，并用于限幅環(huán)節(jié)，實(shí)際值由風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率管理系統(tǒng)下發(fā)。在正常工作模式下，直流Chopper電路不工作。

其中，SN為視在功率；PN為額定功率。

若機(jī)端電壓大于 1.1 p.u.，則進(jìn)入 HVRT 運(yùn)行模式。此時(shí)，無(wú)功電流的控制優(yōu)先級(jí)最高，因此先按照式（5）來(lái)確定Iqref。為了有效支撐電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)，需要盡量提高Iqref；同時(shí)，應(yīng)把Idref限制到比較小的值。

其中，Imax為變流器最大允許電流；Id為變流器實(shí)測(cè)電流的d軸分量。

3.3 硬件升級(jí)及技術(shù)方案驗(yàn)證

至于在硬件上的技術(shù)升級(jí)方案而言，本文工作對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的Chopper電路進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)Chopper電路中的卸荷電阻進(jìn)行了升級(jí)。其中，目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組為由金風(fēng)科技研制的2.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，電網(wǎng)側(cè)額定電壓為690 V。Chopper電路由兩路制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。對(duì)單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)而言，選取直流側(cè)額定電壓為1050 V，選取直流側(cè)最高電壓為1150 V，選取前置IGBT最大電流為1600 A，選取單個(gè)卸荷電阻額定能耗能力為1600 kW（因?yàn)樾枰紤]HVRT過(guò)程中的逆向潮流，兩路制動(dòng)系統(tǒng)額定能耗能力合計(jì)為3200 kW）。卸荷電阻最新取值可通過(guò)式（6）計(jì)算獲得。

其中，Umax為變流器直流過(guò)電壓保護(hù)整定值；IRmax為卸荷電阻前置IGBT過(guò)電流保護(hù)整定值；Pmax為卸荷電阻需要消耗的功率最大值。

通過(guò)式（6）可知，卸荷電阻取值范圍為0.72～0.83 Ω。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試修正后最終取值為 0.75 Ω。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，在PSCAD環(huán)境下搭建了風(fēng)電場(chǎng)-無(wú)窮大系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真模型，如圖4所示。仿真模型中的風(fēng)電場(chǎng)由1臺(tái)金風(fēng)科技2.5 MW級(jí)PMSG構(gòu)成。仿真模型中設(shè)計(jì)的電壓驟升發(fā)生器能夠模擬各種電網(wǎng)側(cè)過(guò)電壓。同時(shí)，為了驗(yàn)證該方法在工程上的可實(shí)用性，按照計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)也進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)都按照表2執(zhí)行（參照 IEC61400-21—2008［22］）。

圖4 仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of simulation and site test

表2 PMSG機(jī)組HVRT仿真／實(shí)測(cè)參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter of HVRT during simulation and site test

計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5所示，圖中縱軸數(shù)據(jù)均為標(biāo)幺值。

從圖5（a）和圖5（b）可知，在電網(wǎng)電壓升至1.15 p.u.并持續(xù) 20 s的 HVRT 運(yùn)行期間，無(wú)功功率和無(wú)功電流均增加到 1.5p.u.，較好地支撐了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。另外，從圖5（a）和圖5（b）的比較分析可知，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合。

從圖5（c）、（d）可知，在電網(wǎng)電壓升至 1.25 p.u.并持續(xù)0.2 s的HVRT運(yùn)行期間，有功功率的減少幅度非常明顯；無(wú)功功率和無(wú)功電流均增加到1.7 p.u.，較好地支持了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。另外，從圖5（d）可知，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組并沒(méi)有因電網(wǎng)側(cè)電壓的驟升而停機(jī)，而是順利穿越了電網(wǎng)側(cè)過(guò)電壓，完成了HVRT運(yùn)行過(guò)程。

從圖5（e）和圖5（f）可知，在電網(wǎng)電壓升至1.3 p.u.并持續(xù)0.2 s的HVRT運(yùn)行期間，風(fēng)電機(jī)組維持了聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的無(wú)功功率和無(wú)功電流均增加至接近1.8 p.u.。

從以上分析可知，計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)非常吻合，本文所提技術(shù)升級(jí)方案有效提高了PMSG的HVRT能力。

圖5 計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)Fig.5 Results of simulation and site test

4 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)集中接入弱電網(wǎng)會(huì)降低電網(wǎng)的安全穩(wěn)定裕度。在較高的風(fēng)電比重下，如何提高風(fēng)電機(jī)組的故障抵御能力將會(huì)引起業(yè)內(nèi)人士更大的關(guān)注度。其中，風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)側(cè)過(guò)電壓時(shí)的HVRT功能已成為行業(yè)內(nèi)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

本文所提PMSG的HVRT技術(shù)方案，在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)主回路硬件配置的情況下，通過(guò)卸荷電阻的升級(jí)和相關(guān)控制環(huán)節(jié)的優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了PMSG較好的HVRT功能。同時(shí)，該技術(shù)方案通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，技術(shù)改造所需的硬件成本低，工程上易于實(shí)現(xiàn)，可作為PMSG的HVRT技術(shù)升級(jí)方案。此外，本文歸納了中外并網(wǎng)規(guī)程HVRT技術(shù)要求，具有一定的參考價(jià)值。

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