应用卸荷支路提高风电系统低电压穿越能力研究

孟庆天闫志海李莉美

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.鄂尔多斯电业局，内蒙古 鄂尔多斯 017010 3.内蒙古电力勘测设计院，呼和浩特 010020）

随着全球经济社会不断的发展，人们对能源的需求越来越多，这与地球有限的化石能源储量相矛盾，现在在全球范围内正在爆发能源危机。以此为契机在全球范围内以风电、光伏发电为代表的可再生能源得到巨大的发展。但是风电的发展还存在很多技术上的缺陷，比如很多风电机组不具备低电压穿越的能力。

1 直驱永磁同步风力发电系统暂态分析

直驱永磁同步风力发电系统的能量转化过程是，首先通过风力机把自然界中的风能转化成机械能，机械能再被永磁同步发电机转化成电能。发电机发出的有功功率sP被变流器整流后注入直流侧电容中，假设电力电子器件是理想器件没有损耗，永磁同步发电机发出的有功功率与注入直流侧功率相等[1]。表达式为

式中，usd为发电机定子d轴电压，usq为发电机定子q轴电压，isd为发电机定子d轴电流，isq为发电机定子q轴电流。udc为直流侧并联的电容电压，is为整流器输出到直流侧电容的电流。

背靠背全功率变流器中间直流侧并联的电容表达式为

式中，C为直流侧并联的电容，ig为流出直流侧并联电容的电流。

直流侧向网侧输出的功率为

为了能够让直流侧左右两端功率匹配，即Ps=Pg，直流侧电容电压应是一定值。在网侧采用电压定向双闭环控制方法，电流内环，直流侧电容电压外环，构成双闭环。当外界风速发生较大变化时，发电机发出的功率将会急剧增加，在很短的时间内，网侧变流器不能完全吸收机侧变流器发出的全部功率，多余的能量就被储存在直流侧电容中，电容电压会增高[2]。

把网侧电力电子器件和并网电抗器假设为理想器件，忽略所有损耗，那么直流侧向网侧逆变器注入的功率与网侧逆变器输入到电网的功率相等，表达式为

式中，egd为电网电压d轴分量，egq为电网电压q轴分量，igd为电网电流d轴分量，igq为电网电压q轴分量。

接下来对直驱永磁同步风力发电系统在电网发生故障,电网电压跌落时的暂态过程进行分析。电网电压跌落时，为使逆变器向电网注入的功率不变，流过电力电子器件的电流值会变大，但是电力电子器件有内阻，热容量有限。在流过的电流值过大时，会造成器件烧毁。因此必须对流过电力电子器件的最大电流值进行限制，防止过电流的发生，那么逆变器注入电网的功率就会降低。此时如果发电机向直流侧电容注入的功率不减小，直流侧电容电压会升高。因此机侧整流器也相应的做出动作，调低发电机发出功率，相应的发电机电磁转矩也变小。如果风速不变，风力机机械转矩不变，永磁同步发电机的转子转速会上升，这时风机浆距角必须变大，降低风能利用系数，达到功率匹配。当电网故障、电压跌落的时间很短时，发电机转子转速因为惯性不会变化的太多，发电机向外输出能量几乎不变。当电网故障持续较长时间时，发电机转子转速会变高，同时浆距角会变大来制约转子转速的提高，但是浆距角的变化很慢，很难在较短时间达到理想效果。因此，当风电机组并网点电压跌落时，会影响直驱永磁同步风力发电系统的各个单元，做出反应需要较长时间，并且在电网电压恢复后不利于迅速恢复正常工作[3]。

综合分析，采用在机组直流侧并联卸荷支路来消耗直流侧多余能量的方法来提高机组低电压穿越能力较为理想。在电网故障，电网电压跌落，直流母线电容两端功率不匹配时，让卸荷支路工作，维持直流侧电容电压稳定。在这期间风力机、发电机、机侧网侧变流器都不会被影响，很大程度上消除了电网电压跌落对系统的影响。当电网电压恢复到正常值后，系统可以迅速恢复正常[4]。

2 目前直驱永磁同步风力发电系统实现低电压穿越的几种方法

电网电压跌落时经常会使直流母线电压过高，目前直驱永磁同步风力发电系统的低电压穿越采取的主要措施有[5]：①选择过流和耐压值较大的电力电子功率器件，同时选用耐压值较高的直流侧电容；②改进直驱永磁同步风力发电系统控制策略；③采用变浆距控制。其中方法①、②可以提高直驱永磁同步风力发电系统的低电压穿越能力，但是当电网电压跌落的幅值非常大时采用上述两种方法就很难实现其低电压穿越。通常电网电压跌落的时间较短(≤1s)[6]，但方法③的动态响应较慢。所以需要在直驱永磁同步风力发电系统的直流侧增加相应的硬件电路，以提高其低电压穿越能力。较理想的方式是在直流母线（DC-link）上接卸荷支路。虽然当电网电压跌落时，风电机组机侧网侧不平衡的能量会被卸荷电阻消耗掉，但是电网故障发生的几率很小，即使发生持续时间也非常短。全年消耗掉的功率与输送的功率相比是微乎其微的。

3 在直流侧添加卸荷支路以提高风电机组低电压穿越能力

采用在直驱永磁同步风力发电系统直流侧添加卸荷支路的方法消耗多余的能量以解决能量的不匹配问题。如图1所示，卸荷支路一般由控制支路、卸荷电阻、电力电子功率器件构成。为了使直流侧两端能量实现匹配，通过控制电力电子功率器件导通与关断达到控制卸荷电阻投入和切出，最终实现直流侧电容电压稳定的目的[7]。

图1 直流侧添加卸荷支路的直驱永磁同步风力发电系统

方程（5）为控制直流侧电容电压的方程

式中，Pin为直驱永磁同步风力发电系统定子侧向直流侧输入的有功功率；Pout为直流侧向电网侧输出的有功功率。可以用公式（6）来求卸荷支路的导通占空比[8]

式中，Rd为卸荷电阻；d为电力电子功率器件在1s内导通的时间。当直流侧电容电压升高，输入输出能量不平衡时，让卸荷电阻把不平衡能量的绝对值消耗掉。当ΔP在限定的幅值内时，卸荷电阻不消耗能量，此时d=0；当ΔP超出特定幅值时，立刻投入卸荷电阻工作，此时0＜d＜1；当Udc超出特定范围时，取d=1，完全投入卸荷支路工作。美国专利6819535[9]，采用直流侧电压值作为电力电子功率器件导通与关断的判断条件，把直流侧参考电压与实际电压的差值输入PI调节器，从而控制电力电子功率器件的导通占空比，如图2所示。

图2 卸荷支路Pl调节控制框图

4 卸荷支路电阻值计算

卸荷支路上电阻的阻值与直流侧电容允许的最高电压和需要消耗的多余能量相关。以国家电网为参照标准，并网点电压跌落至系统额定电压的20%及以上时，风机必须并网，当低于系统额定电压的20%时，风机可以与电网解列[10]。以并网点电压跌落至电网电压的20%，直驱永磁同步风力发电系统额定容量为1.5MW，直流侧电容额定电压1.2kV，电阻阻值的计算式如式（7）所示。

此文中，卸荷支路电阻值选取此值。

5 仿真分析

根据前面的分析与设计，将兆瓦级直驱永磁同步风力发电系统在PSCAD/EMTDC环境下进行仿真，风机额定风速为11.5(m/s)，风机额定容量为1.5MW。系统其他主要参数：直流母线参考电压为1200V，机组额定电压690V，极对数N=139，额定频率为50Hz，定子电阻 Ra=0.001Ω ，电感 La=0.0015H，直流侧电容 C=48000μF。连接电抗器电阻 R=0.0012Ω ，电感L=0.0005H。并网变压器低压侧线电压为690V。

仿真模型运行在1s时电网发生对称三相短路故障，电网电压由原来的690V跌落到138V，跌落到20%，跌落时长0.625s。这是国家电网公司规定的维持并网，最严重的电压跌落情况。单相电压跌落情况如图3所示。单相电压幅值是563V，在1.0s时发生电网故障，电网电压跌落，幅值为113V，跌落时长是0.625s。图4所示为在没有为直驱风电机组直流侧添加卸荷支路时电网发生对称三相电压短路故障时机组的直流侧电容电压和向电网注入有功功率的仿真波形。从图4（a）可见，电网电压在1s时跌落，直驱永磁同步风电系统直流母线电压升高大约1300V，实际中会把电容器烧毁；注入电网的有功功率减小，如图4（b）所示，在1.625s时开始趋于稳定。图5所示为在为机组直流侧添加卸荷支路后，电网发生对称三相电压短路故障时机组的直流侧电容电压和向电网注入有功功率的仿真波形图。电网电压在1s时跌落，从图 5（a）、（b）可见，直流侧电容电压一直较好的维持在1200V左右，没有受到电网电压故障的影响。系统向电网注入有功功率减小到20%，减小的功率全部由卸荷支路电阻消耗。

图3 电网相电压跌落图

图4 电网故障情形

图5 应用卸荷支路提高风电系统低电压穿越能力

6 结论

本文采用在直流侧添加卸荷支路的方法提高直驱永磁同步风力发电系统的低电压穿越能力。当电网电压跌落，通过控制卸荷支路，来消耗直流侧积聚的过多能量，保护电容不被烧毁，防止风电机组脱网事故的发生。通过对仿真波形的分析我们可以知道应用卸荷支路法可以很好的提高直驱永磁同步风电系统的低电压穿越能力。

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