章心因,李皓宇,朱一聞

(南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

伴隨著風(fēng)能作為一種清潔能源在發(fā)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,直流輸電技術(shù)也成為了新的技術(shù)熱點(diǎn).直流輸電過程中需將同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相正弦交流電變換成直流電輸送,再將直流電于電網(wǎng)一端變回三相交流電使用.通過整流器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓變換成直流電壓,經(jīng)直流母線送至逆變器GSC,GSC將直流電壓變回交流電饋入電網(wǎng).因此,研究交直流變換過程中的變流器控制策略問題,對于風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性具有積極意義.文獻(xiàn)[1]闡述了無功功率補(bǔ)償在電壓跌落時對電壓恢復(fù)所起到的積極作用,但只是研究了無功功率補(bǔ)償作用,并沒有提出采用怎樣的設(shè)備實(shí)現(xiàn);文獻(xiàn)[2-3]提出了低電壓穿越(low voltage ride through,LVRT)過程中通過改變雙變流器控制策略實(shí)現(xiàn)兩側(cè)功率平衡的實(shí)現(xiàn)方法,并給出了數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[4-7]介紹了目前已較為成熟的幾種低電壓故障穿越方法,并通過實(shí)時仿真驗(yàn)證了方案可行性;文獻(xiàn)[8]在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator,DFIG)傳統(tǒng)三相短路電流解析模型的基礎(chǔ)上,計(jì)及定轉(zhuǎn)子耦合影響及撬棒電阻在故障暫態(tài)中的影響,提出了一種計(jì)及撬棒電路(Crowbar)保護(hù)的DFIG三相短路電流解析式;文獻(xiàn)[9]給出了LVRT模型中的相關(guān)參數(shù)整定方法;文獻(xiàn)[10]研究了基于Boost電路的兩極式光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時的穩(wěn)定性,提出了使用Boost調(diào)節(jié)直流母線電壓配合負(fù)序電壓前饋的電流控制策略.

本研究參考了文獻(xiàn)[2-3]中的基本模型設(shè)計(jì),并進(jìn)行拓展,構(gòu)建出主副逆變器協(xié)同工作的模型;通過對文獻(xiàn)[4-7]中的低電壓故障穿越方法進(jìn)行對比分析,選出了符合未來發(fā)展趨勢且考慮到一定經(jīng)濟(jì)效益的兩種方法,即外側(cè)耗能電路及網(wǎng)側(cè)逆變器解耦控制方法;根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的研究進(jìn)一步通過電力電子器件實(shí)現(xiàn)Crowbar電路的合理投切,解決了僅靠耗能電路進(jìn)行功率平衡所帶來的散熱、電阻損耗等問題;采用文獻(xiàn)[9]中的方法對建模相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行整定;基于文獻(xiàn)[10]的研究對網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)行建模,實(shí)現(xiàn)了逆變器的電流控制.

本研究通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償,使用電網(wǎng)換相換流器(line-commuted converter,LCC)實(shí)現(xiàn)換流過程,提高了換流效率和換流電壓等級,實(shí)現(xiàn)了最高電壓等級1 200 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真,避免了使用電壓源換流器(voltage source converter,VSC)換流時出現(xiàn)開關(guān)損耗帶來的諧波影響,使得故障仿真即便采用較激進(jìn)手段如將直流母線電壓鉗制在額定電壓附近時，也不會導(dǎo)致逆變后的三相交流電波形產(chǎn)生較嚴(yán)重的畸變.本設(shè)計(jì)中,1 200 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在低電壓故障穿越過程中直流母線只在變流器改變輸出電流的瞬間出現(xiàn)較小幅度的過電壓,一定程度上避免了特高壓直流輸電工程中直流母線電壓短期持續(xù)性過電壓帶來的線路穩(wěn)定性隱患.

1 變流器數(shù)學(xué)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator,PMSG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用的兩個基本變流器分別位于整個系統(tǒng)的機(jī)網(wǎng)兩側(cè),一般采用背向式雙PWM變流器,機(jī)側(cè)與PMSG定子相連的PWM變流器為MSC變流器,起整流作用,網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)相連的PWM變流器為GSC變流器,起逆變作用[5],其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 雙PWM變流器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際生產(chǎn)中,網(wǎng)側(cè)變流器采用三相三線制接入電網(wǎng),當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱時,從發(fā)電機(jī)獲得的電壓平衡方程在三相靜止坐標(biāo)系下的矩陣方程為：

(1)

(2)

將式(1)、式(2)進(jìn)行Park變換得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下矩陣：

(3)

通過式(3)可將同步發(fā)電機(jī)定子電感系數(shù)矩陣變成常數(shù)矩陣.

2 PMSG并網(wǎng)運(yùn)行分析

(4)

GSC變流器送入電網(wǎng)一側(cè)的有功功率和無功功率分別為：

(5)

上述功率變換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為：

(6)

實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié),即是實(shí)現(xiàn)對iqs的調(diào)節(jié).式(6)中分解出了電網(wǎng)電流和電動勢的dq軸分量,可以借此實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制[6].網(wǎng)側(cè)GSC變流器控制原理圖如圖2所示.

圖2 網(wǎng)側(cè)GSC變流器(逆變器)控制原理

并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后,系統(tǒng)的有功功率傳輸特性為：

(7)

由式(7)可知,udc穩(wěn)定時,Pm≈Pg.

直流母線電壓與電網(wǎng)電流在d軸上的投影大小成正比,調(diào)節(jié)id可以實(shí)現(xiàn)電容充放電來控制直流母線電壓.

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,為了緩解網(wǎng)線兩側(cè)功率不平衡,網(wǎng)側(cè)GSC變流器應(yīng)當(dāng)增大輸出電流.在較小的電壓跌落范圍內(nèi),變流器通過改變輸出電流能維持整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行.然而受變流器的容量限制,GSC變流器輸出電流的變化量存在上限.當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較深時,GSC變流器輸出電流達(dá)到其額定水平的限制,此時機(jī)側(cè)經(jīng)MSC整流器饋入網(wǎng)側(cè)的功率保持不變,MSC整流器與GSC變流器之間將出現(xiàn)功率不平衡情況.這部分功率不平衡量流入直流母線上的電容,導(dǎo)致直流母線電壓升高,最終破壞GSC變流器對直流母線的閉環(huán)控制.

課程評價成績構(gòu)成是全過程綜合性的評價，評價點(diǎn)包含對課程基礎(chǔ)知識的掌握程度、自主學(xué)習(xí)活動能力、軟件開發(fā)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新能力等職業(yè)素養(yǎng)能力。

3 附加變流器LVRT控制策略

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時常采用的方法可以總結(jié)為三種:1) 改變兩個PWM變流器的控制策略;2) 快速減小發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率;3) 利用外加電路消耗或存儲故障期間饋入直流側(cè)的多余能量[5].

目前,市面上有多種常用的應(yīng)對風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越問題的解決方案.

1) 直流側(cè)卸荷電路.通過在直流母線上并聯(lián)卸荷電阻來實(shí)現(xiàn)降低直流母線電壓的效果[4].可以通過Buck電路降低沖擊電流帶來的影響.本方案優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)迅速,缺點(diǎn)是卸荷電阻散熱壓力大.

2) 直流側(cè)儲能電路.將直流側(cè)卸荷電路中的卸荷電阻改為儲能裝置,如能量存儲系統(tǒng)ESS、超級電容等,儲能電路由電力電子開關(guān)控制,能量可以雙向流動.故障時將多余的能量存儲在ESS中,故障恢復(fù)后再將所儲存的能量饋入電網(wǎng)[1].本方案成本極高且儲能裝置容量有限,不能滿足大型風(fēng)電機(jī)組電壓跌落較深時故障穿越的需要.

可見,這兩種方案都是以二次設(shè)備處理多余的有功和無功功率為主要思路,對網(wǎng)側(cè)電壓跌落情況只能做到拖延解列時間,等待網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)正常水平.

電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時電力系統(tǒng)不僅要求大型并網(wǎng)風(fēng)電場保持在線運(yùn)行不脫網(wǎng),而且還要求機(jī)組快速地向電網(wǎng)提供無功功率來恢復(fù)網(wǎng)側(cè)電壓[5].本文提出一種通過先對GSC逆變器進(jìn)行有功無功解耦控制,再利用電力電子裝置控制二次設(shè)備合理投切,從而實(shí)現(xiàn)PMSG風(fēng)電機(jī)組低壓穿越的LVRT分階段控制方法.副逆變器與Growbar電路分層控制的LVRT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略如圖3所示.在并網(wǎng)逆變器 GSC1處投入第二個逆變器GSC2,容量為GSC1的1/2.正常工作時,GSC2作為APF進(jìn)行有源濾波;電網(wǎng)電壓突降時,GSC2由有源濾波模式切換至無功補(bǔ)償模式,GSC1、GSC2協(xié)同工作向電網(wǎng)輸出一定的有功功率,并提高無功電流輸出以支持電壓恢復(fù);電壓跌落非常嚴(yán)重時,Crowbar耗能電路的控制電路檢測到網(wǎng)側(cè)電壓互感器電壓值跌至設(shè)定值以下,向控制Crowbar電路導(dǎo)通的晶閘管發(fā)送單位脈沖使其導(dǎo)通,Crowbar卸荷電路投入直流母線消耗有功功率,進(jìn)一步緩解兩側(cè)變流器功率不平衡情況.電壓跌落故障結(jié)束后,晶閘管關(guān)斷,Crowbar電路切出,同時GSC1變流器切換回正常工作狀態(tài),GSC2變流器則繼續(xù)有源濾波過程.整個設(shè)計(jì)構(gòu)成一個三段式分階段控制方式,以應(yīng)對實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的不同程度的故障狀況.

設(shè)電網(wǎng)電壓的三次跌落分別為0.8、0.6、0.3 p.u..在電網(wǎng)電壓跌落的第一階段,網(wǎng)側(cè)電壓大于0.6 p.u.時,有關(guān)系：

(8)

在電網(wǎng)電壓跌落的第二階段,網(wǎng)側(cè)電壓小于0.6 p.u.時,有關(guān)系：

(9)

進(jìn)入電網(wǎng)電壓跌落第三階段,網(wǎng)側(cè)電壓小于0.3 p.u.時,Crowbar電路處于導(dǎo)通狀態(tài),耗能電阻接入直流母線,消耗逆變器無法處理的不平衡電能.此后兩逆變器的無功電流受到鉗制,由于兩逆變器額定電流是固定的,因此有功電流也將受到鉗制,設(shè)此時兩變流器有功電流為idg1+idg2,則網(wǎng)側(cè)功率為：

(10)

GSC1、GSC2的控制原理圖如圖4、圖5所示.

圖4 網(wǎng)側(cè)GSC1主逆變器控制策略

4 研究對象建模及仿真結(jié)果

設(shè)負(fù)載側(cè)采用線電壓有效值為575 kV交流電壓,以受控電壓源的形式實(shí)現(xiàn).仿真時,受控電壓源相電壓波形變化為：4.5 s時相電壓降至0.8 p.u.;5 s時相電壓降至0.6 p.u.;5.5 s時跌落至0.3 p.u..系統(tǒng)頻率為國標(biāo)工頻50 Hz,仿真時長為7 s.

本設(shè)計(jì)中,PMSG發(fā)電機(jī)組總額定功率為5 000 MW,變流器MSC、GSC1容量為6 000 MVA,副逆變器容量為主逆變器1/2,電抗Lg為1.5 mH,直流電容為10 mF,直流母線電壓額定值為1 200 kV.故障前后的風(fēng)力機(jī)均在額定風(fēng)速下保持額定轉(zhuǎn)矩狀態(tài)工作.

故障前后主、副逆變器解耦后的PQ曲線如圖6所示.由圖6可見:4.5 s時,電壓跌落至0.8 p.u.,主逆變器發(fā)出的有功功率迅速跌落至0.67 p.u.,同時向外發(fā)出0.28 p.u.的無功功率,副逆變器承載了0.33 p.u.的有功功率,同時向外發(fā)出0.14 p.u.的無功功率;5.0 s時,電壓跌落至0.6 p.u.,主逆變器發(fā)出0.48 p.u.的有功功率和0.42 p.u.的無功功率,副逆變器發(fā)出0.24 p.u.的有功功率和0.21 p.u.的無功功率;5.5 s時，電壓跌落至0.3 p.u.,此時主、副逆變器分別發(fā)出0.22 p.u.、0.1 p.u.的有功功率并終止無功補(bǔ)償行動,在電壓互感器和觸發(fā)電路的控制下晶閘管導(dǎo)通,Crowbar電路投入直流母線進(jìn)行耗能,從而實(shí)現(xiàn)線路功率平衡.

(a) 主逆變器

單臺發(fā)電機(jī)輸出電流圖如圖7所示,為保證機(jī)組的穩(wěn)定性,假定發(fā)電機(jī)額定狀態(tài)工作.由圖7可見:當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至0.8 p.u.時,直流母線電壓產(chǎn)生較大幅度波動,但主、副逆變器控制策略的改變使得直流母線電壓未出現(xiàn)較大程度變化,電壓穩(wěn)定在額定值附近;電網(wǎng)電壓跌落至0.6 p.u.時,直流母線電壓出現(xiàn)明顯升高,變流器發(fā)出更多無功電流,使得直流母線電壓很快恢復(fù)至額定水平;5.5 s時電壓跌落至0.3 p.u.,主、副逆變器能發(fā)出的功率受限,晶閘管導(dǎo)通,Crowbar電路接入直流母線，開始消耗不平衡的有功功率;6.0 s時故障結(jié)束,隨著主、副逆變器控制策略的改變和Crowbar電路的關(guān)閉,直流母線電壓恢復(fù)正常.網(wǎng)側(cè)電壓跌落至特定p.u.時的直流母線電壓波形圖如圖8所示.

圖7 單臺發(fā)電機(jī)輸出電流

(a) 系統(tǒng)運(yùn)行期間

5 結(jié)語

本文通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了分階段控制LVRT方案的合理性：在電網(wǎng)電壓跌落較輕時,僅靠主、副逆變器的控制策略對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償,即可保證直流母線電壓不越限;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較深時,通過主、副逆變器的無功補(bǔ)償與Crowbar電路的共同作用可以維持直流母線電壓的穩(wěn)定并支持網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)至正常水平,證明整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行.本試驗(yàn)設(shè)計(jì)依然存在不足之處,即沒有在電壓跌落較深情況下啟動同步電機(jī)調(diào)速,只研究了相關(guān)的變流器控制策略,在后續(xù)的研究中將會繼續(xù)改進(jìn).