直驱型风电系统高电压穿越仿真分析

贾 超，李广凯，王劲松，白 恺

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003;2.华北电力科学研究院 高压所，北京 100045)

0 引言

21世纪是传统能源紧缺的世纪，预计到2030年世界对能源的需求将增加44%[1]。随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发和利用可再生的清洁能源势在必行。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点。

目前风力发电系统主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。恒速恒频风力发电系统只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低;变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或双馈电机作为发电机，直驱型风机可省去双馈型风机的增速齿轮箱，减少发电机的体积和重量，可降低噪声和维护费用。这种发电系统拓扑结构简单，控制方法相对容易，受到了广泛关注[2～4]。

高电压穿越 (High Voltage Ride Through，HVRT)意味着风力发电机在电网电压突升的情况下仍能保持并网运行。对于高电压穿越，国家电网防风电大规模脱网的重点措施要求风电机组应具备一定的过电压能力 (风电场并网点电压为1.3倍额定电压)，应能与场内无功动态调整的响应速度相匹配，实现高电压情况下的不脱网连续运行。

高电压产生的情况可能是由负荷掉闸或不平衡的电网故障引起的。当电网电压超出一定的额度后，通过网侧变流器的电流可能会反向，导致直流母线电压的快速提升。澳大利亚的电网标准要求风电机组能承受1.3倍额定电压的时间为 60 ms[5]。

关于风机实现高电压穿越的文献不多。文献[5]从硬件、机侧变流器控制和网侧变流器的控制来解决高电压穿越，通过模拟仿真验证了其控制策略。文献[6]提出了用动态电压补偿和静止同步补偿器来解决高电压穿越，并对两者进行了比较，通过仿真得到了验证。

本文选择用网侧变流器的无功控制，并配合直流侧使用卸荷电阻的Crowbar电路，实现直驱型风电系统的高电压穿越。基于Matlab/Simulink搭建了直驱型风电系统模型，通过仿真比较，证明了文中提出方案的有效性。

1 风电机组的容性无功

文中采用不可控整流+Boost升压+可控逆变的典型直驱型风电机组模型，发电机定子经AC/DC/AC变流器和电网连接，不直接和电网耦合。电网电压的升高导致发电机定子侧输出的有功功率和网侧逆变器输出的有功功率不平衡，致使直流侧电压上升，当电网电压恢复正常时，又相当于低电压穿越，网侧变流器电流会突增，风机发出的有功和无功也会突增，威胁到IGBT的安全。

当电网电压升高，此时若能让风机提供容性无功，就能缓解电网的高电压对风机的影响。直驱型风机采用的是全功率变流器，通过改变网侧逆变器的控制策略，使其能提供容性无功。网侧逆变器控制策略:当电网电压正常时，q轴 (无功)电流设为0，使系统工作在单位功率因数状态;当电网电压升高时，在不超过网侧逆变器所能承受的最大电流，最大限度地向电网提供容性无功。为无功控制电流，为有功控制电流。公式如下:

2 直流侧Crowbar保护电路

直驱型风电系统采用卸荷电阻作为Crowbar电路，直流侧Crowbar电路和网侧逆变器电路控制框图如图1所示。直流侧卸荷电阻如图2所示，系统正常工作时卸荷电阻不投入运行;当电网发生故障时，直流侧电压上升，投入卸荷电阻，消耗掉多余的能量，使风机和变流器的运行基本不受到影响。用卸荷电阻作为Crowbar保护电路，实现简单，可靠性高。卸荷电阻将多余的能量以热量的形式消耗掉，需要较大的阻性负载，短时间可正常运行，长时间需考虑散热问题[7]。

图1 直流侧Crowbar电路和网侧逆变器电路控制框图Fig.1 Crowbar circuit in DC side and control block diagram of inverter circuit in network side

图2 直流侧采用的卸荷电阻Fig.2 Unloading resistance of DC side

3 仿真分析

文中基于Matlab/Simulink搭建风电场接入无穷大系统 (如图3所示)。风电场由5台2 MW的直驱型风电机组成，风电机出口电压为690 V，通过箱变升为10 kV，经由一条30 km的输电线路送至风电场升压站，电压升为110 kV，最终接入无穷大系统。假定电网电压在0.2 s时升高到额定电压的1.3倍，此时发电机处于额定运行状态，0.4 s后电网电压恢复到额定电压。仿真参数如下:永磁发电机极对数30，线电压690 V，磁感应强度1.2 p.u.，定子电阻为0.006 p.u.，交轴电感为1.305 p.u.，直轴电感为 0.474 p.u.，额定频率50 Hz;直流侧母线额定电压1 100 V;卸荷电阻为1.0 Ω，网侧逆变器电流最大值为1.3 p.u.。

图3 风电场接入无穷大系统示意图Fig.3 Schematic diagram of wind farm access infinity system

3.1 不提供无功和不投入Crowbar电路时的特性

图4是风机不提供容性无功和不投入Crowbar电路时的仿真波形。从图4(a)，(c)可知，0.2 s时电网电压升高到额定值的1.3倍，网侧逆变器的输出电流开始减小，在0.4 s电网电压恢复时，输出电流增大到1.4 p.u.。由图4(b)可知定子电流在电网电压升高时无明显变化，在电网电压恢复时，有一个约1.3倍的波峰。图4(d)，(e)可知输出的有功功率和无功功率在电压突升时均有一个下降，在电压恢复时均有很高的波峰，严重损害网侧变流器中的IGBT器件。图4(f)为直流侧电压，在故障期间，直流侧电压最高上升至1 200 V，至0.4 s电网电压恢复时，直流电压跌至820 V左右。

图4 不提供无功和不投入Crowbar的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of no reactive power and no Crowbar

3.2 提供无功和投入Crowbar电路时的特性

图5(a)是采用文中所提出控制策略后直驱型风电系统高电压穿越时的仿真波形。图5(b)是风电机组定子电流波形，可以看出基本平稳。图5(c)中网侧变流器输出的电流在提供容性无功后上升至1.1倍。图5(d)为输出有功功率，最高至11.8 MW，最低至8 MW。由图5(e)可知，发电机在电网电压升高期间，提供了约7 MVar的容性无功，平稳了定子、网侧变流器的电流。图5(f)为直流侧电压，最低至1 028 V，利用卸荷电阻将直流侧电压控制在1 110 V，卸荷电阻在电压高于1 110 V时，一直处于投运状态，0.9 s后直流侧电压恢复正常，卸荷电阻退出。

图5 提供无功和投入Crowbar时的仿真波形Fig.5 Simulation waveform of provided reactive power and Crowbar

4 结论

文中分别仿真不提供容性无功和Crowbar电路、提供容性无功和Crowbar电路这两种情形下直驱型风电系统的高电压穿越特性，对比发现，后者可以保护网侧变流器的元件，使母线电压波动减小，有效地提高了直驱型风电机组的高电压穿越能力。此外，也需注意到，提供容性无功后直流侧电压有一个下降(1 028 V)，有待改进无功电流的控制策略，使其平稳过渡。