基于DC-Link保护的直驱风机低电压穿越特性

2014-07-07艾斯卡尔朱永利唐彬伟乔元王海龙

电源技术 2014年5期

关键词：低电压变流器风力

艾斯卡尔，朱永利，唐彬伟，乔元，王海龙

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830026）

基于DC-Link保护的直驱风机低电压穿越特性

艾斯卡尔1,2，朱永利1，唐彬伟2，乔元2，王海龙2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830026）

研究了基于DC-Link保护回路的直驱风机在电网故障状态下的低电压穿越特性。研究了国家标准GB/T 19963-2011对风机低电压穿越能力的要求。结合直驱永磁风力发电机组(PMSG)风机运行原理，构建了PMSG在PSCAD环境下的系统控制模型。结合电网三相对称短路故障，对加装和未加装DC-Link保护回路的PMSG的LVRT特性进行了分析和比较。仿真结果不仅证明了所用系统模型是合理的，控制策略是有效可行的，而且还表明加装DC-Link保护回路的PMSG具备较为优越的低电压穿越特性。

风力发电；永磁直驱风机；DC-Link保护；低电压穿越；PSCAD

随着常规化石能源供应不确定性的日益加剧和一次性常规能源的日益枯竭，可再生能源越来越受到重视。风电作为重要的可再生能源，在世界各国都得到了长足的发展。其中，中国风电装机量的增加极为迅速，已于2010年底超越美国成为全球风电装机容量第一的国家[1]。

直驱永磁风力发电机组(PMSG)采用低速永磁同步发电机，省去了齿轮箱，维护成本低，发电效率高[2]，还具有并网友好型等诸多优点[3]，已经成为当今风机技术的发展趋势[4-5]。

目前，PMSG在系统中所占比重在日益增加，我国最新的风电并网标准GB/T 19963-2011已开始执行，PMSG风机的并网特性，尤其是低电压穿越(LVRT)性能值得深入研究[6]。

文献[7-8]探讨了各种PMSG的LVRT实现方案，如在直流侧加装储能装置、快速变桨技术方案、直流侧-电网侧辅助变换器或整个电场集中式LVRT实现方案等。但已大批工程化的最有效方法是DC-Link保护回路方案。

本文引入了LVRT概念，并介绍了风电并网规程对风机LVRT的要求。在介绍PMSG风机系统的基础上，构建了PMSG风机在PSCAD环境下的仿真模型，并针对电网三相对称短路故障，对加装和未加装DC-Link保护回路的LVRT特性进行了对比，不仅验证了系统模型和控制策略的正确性和可行性，而且检验了PMSG较为优越的LVRT特性。

1 风电并网规程对LVRT技术要求

根据国家标准GB/T 19963-2011（以下简称标准）的定义，LVRT是指：当电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风机/风电场能够保证不脱网连续运行。

风机/风电场LVRT要求如图1所示，而标准针对风机LVRT能力的核心要求可概括如下[9]：

（1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风机能够保证不脱网连续运行625ms；

（2）风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风机能够保证不脱网连续运行；

（3）风机有功功率在故障清除后至少以10%额定功率/s的功率变化率恢复至故障前的值；

（4）当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落，且并网点电压处于标称电压的20%～90%区间内时，风机应能通过注入无功电流支撑电压恢复；动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不小于550ms；风电场注入电力系统的动态无功电流应为T≥1.5×(0.9－T)N，式中：T(0.2≤T≤0.9)为并网点电压标幺值，N为风电场额定电流。

图1 风电场LVRT标准

2 PMSG风机系统数学模型及控制策略

图2为PMSG主回路拓扑图。如图2所示，风力发电系统通过全功率变流器并网，发电机与电网之间没有直接连接。因此，全功率变流器的特性决定了整个风力发电系统的动态特性。

图2 永磁直驱风力发电系统拓扑结构

PMSG仿真所需的数学推导结果如下[10-13]。

2.1 发电机及机侧变流器

发电机电磁转矩方程为：

图3 机侧变流器控制框图

2.2 电网侧变流器

网侧变流器的主要目的是稳定直流电压。在两相同步旋转的坐标系中，使轴定向于电网电压矢量，则逆变器的模型可以表示为：

图4所示为网侧变流器控制策略，采用内环电流外环电压的双环控制策略，通过控制内环电流的轴分量实现无功解耦控制。图中、、为电网三相电压，、、为变流器输出三相电流，为电网电压相位。轴电流参考值ref通过外环直流侧电压参考值dcref与实际直流侧电压dc作差通过PI控制获得。轴电流参考值ref通过变流器最大允许电流与实际电网电压矢量计算所得：

图4 网侧变流器控制框图

3 DC-Link保护电路

直流侧DC-Link保护回路由绝缘栅双极型晶体管IPM电路（下文简称IGBT）和用于消耗有功能量的卸荷电阻组成。当电网电压发生严重跌落时，风机变流器注入电网的有功迅速减少，而由于网侧变流器过流能力限值问题，变流器在向电网提供较大无功电流支撑的同时，再也不能有效地将有功功率注入到电网。根据PMSG的特点，此时的PMSG风机不会进行基于变桨系统的有功功率限制措施，因此在DC-Link环节会聚集过多的有功能量，并使得直流侧母线电压随着电网侧电压的降低或输出有功功率的减少而迅速上升。此时，为防止过高的直流侧母线电压损坏变流器，必须投入DC-Link保护回路，通过制动电阻消耗直流侧过多的能量，其策略见图5。

图5 直流侧保护电路控制框图

采用直流侧DC-Link保护回路方案的优点是可靠性高、成本低，机侧整流器受到的影响小，在电网电压跌落时发电机工况基本不改变。但缺点是在消耗能量的同时，卸荷电阻会放出大量的热量，使得卸荷电阻过温。因此，卸荷电阻阻值的选择十分关键，一般应考虑最严重情况。卸荷电阻阻值为：

4 仿真分析

为了对PMSG的LVRT特性进行深入研究，本文利用PSCAD软件搭建了PMSG系统仿真模型，并针对电网三相对称短路故障进行了仿真分析，见图6～图9。

仿真参数：额定功率1.5MW，额定电压0.69 kV，额定转速28 r/m in，极对数32，定子漏电阻0.064 p.u，定子线圈电阻0.017 p.u，直流电容200mF，直流电压1.5 kV，卸荷电阻阻值0.6Ω。

故障模拟：在2 s时故障发生，在2.625 s时故障清除，故障持续时间为0.625 s，故障时风机并网点电压跌落至20%，且风速保持恒定。

图6 风机并网点电压

图7 直驱风机输出有功功率

图8 直驱风机输出无功功率

图9 变流器直流侧电压

仿真结果显示，当未加装DC-Link保护回路时，电网电压跌落会导致PMSG系统输出有功的迅速下降，变流器直流侧输入与输出功率不平衡，使直流侧电压迅速上升。虽然此时风力发电系统能迅速发出大量无功，但风机提供的无功功率对大电网电压的支撑作用有限。同时，网侧变流器控制系统中横轴PI调节器输出已达深度饱和，无法达到有效调节，直流侧电压与输出有功无法稳定，持续震荡。在电网电压跌落期间因直流侧功率的持续不平衡，控制系统发热调节能力已达极限，在2.18 s时刻直流侧电压达到峰值。另外，在电网电压恢复瞬间，在直流侧也会产生一个过电压波峰。同时网侧变流器控制系统纵轴PI调节器输出也达深度饱和，风力发电系统输出无功剧烈震荡。由此可知，若未加装DC-Link保护回路则必须将PMSG机组脱网以保护风机安全。

当加装DC-Link保护回路时，控制器检测到直流侧过电压后立即接入DC-Link保护回路，卸荷电阻消耗多余能量，使得在电压跌落期间直流侧电压均能稳定在允许范围内，而网侧控制器中PI调节器均在可控范围内。在电网电压恢复后，DC-Link保护回路自动退出，网侧变流器重新恢复到正常运行状态。在整个电压跌落期间由于DC-Link保护回路的作用，变流器一直工作在允许的工作范围内，PMSG系统始终保持与电网相连，实现了LVRT。

通过仿真还可发现，在LVRT过程中，发电机侧变流器控制策略不发生变化，风机变桨系统不动作，零机电暂态。因有功功率的分流通过DC-Link保护回路的IGBT控制实现，故障后有功功率恢复速度快，如图7所示。另外，电网电压恢复瞬间并不存在Overshoot问题，如图6所示。

5 结论

本文在PSCAD仿真软件中搭建了PMSG风机用于短路故障分析的仿真模型，仿真结果验证了仿真模型的有效性。此外，通过仿真分析证实了直驱风机优越的LVRT特性，简述如下：

（1）在LVRT过程中，变桨系统不动作，转矩和转速不变，零机电暂态，机组寿命不受影响；

（2）故障期间或故障恢复瞬间，变桨系统不动作，风机的有功功率控制由DC-Link保护回路的IGBT实现，显然，在故障期间和故障恢复瞬间，风机有功功率损失小；

（3）故障期间，注入电网的短路电流完全可控，不仅有效支撑了电网电压的快速恢复，而且对现有继电保护设置无不利影响；

（4）在故障期间和故障恢复瞬间不会产生电气量冲击，是一种软故障穿越。

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[2]刘胜文,包广清,范少伟,等.PMSG无功控制和低电压穿越能力的研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(2):135-140.

[3]肖磊.直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究[D].长沙：湖南大学,2009.

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[13]YANG X P,DUAN X F.Low voltage ride through of directly driven wind turbine with permanentmagnet synchronous generator[C]// Proceedings of IEEE Power and Energy Engineering Conference. Wuhan:IEEE,2009:1-5.

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

1002-087 X(2014)05-0906-03