含chopper电路的直驱风机响应电网短路的运行特性分析

刘　勇, 麻广林, 宁　波, 魏　鑫

(国网大连供电公司，辽宁大连116021)



含chopper电路的直驱风机响应电网短路的运行特性分析

刘勇, 麻广林, 宁波, 魏鑫

(国网大连供电公司，辽宁大连116021)

摘要：为了分析电网短路时的直驱风电机组运行特性，从数学模型入手，研究了风轮机最大风能追踪控制策略，以及交直交变频器机侧的有功无功解耦控制策略和网侧的电压定向控制策略。为了满足风电机组的低电压穿越要求，采用了直流电容chooper保护电路。电网短路故障时，chooper回路中的卸能电阻能很大程度地消耗短路冲击带来的能量，从而维持直流电容电压稳定。同时参考电流限值器也限制了短路冲击对网侧变频器的影响。在empt-rv中搭建了直驱风机模型，分析了电网三相短路导致并网电压跌落到0.2 以下时风电机组的运行特性。仿真结果验证了所采取的控制策略正确性，以及直流电容chooper保护电路的有效性。研究结果对直驱风机并网运行以及电网短路对风机运行特性的影响提供了依据。

关键词：chopper保护；卸能电阻；三相短路；参考电流限值器

0引言

随着能源危机和温室效应等全球性问题的日趋凸显，利用清洁无污染的风能发电已成为了一种有效的解决措施。特别是自《可再生能源法》颁布以来，中国的风电事业得到了飞速发展[1-2]，各种风电机组接连涌现。文献[3]在DIgSILENT/Power Factory中搭建了直驱式永磁同步风电机组(PMSG)的仿真模型，研究了其运行特性；文献[4]在故障状态和机电暂态情况下研究了PMSG的控制策略及运行特性；文献[5-6]在emtp-rv中仿真分析了DFIG在电网短路故障下风电机组的运行特性。文献[7]分析了电网电压存在负序分量时，PMSG的交直交变频器产生二倍频谐波的机理；文献[8-9]研究了在电网不对称故障情况下，机侧变频器为不可控器件的PMSG的低电压穿越(LVRT)控制策略；文献[10]通过在电网跌落时控制网侧变频器提供无功电来稳定电网电压进一步增强风电机组的低电压穿越能力；文献[11]在matlab中仿真分析了直流侧利用Crowbar电路实现了风电机组的LVRT。

本文以PMSG为研究对象，从数学模型入手，研究了风轮机的最大风能跟踪控制策略，交直交变频器的机侧有功无功解耦控制策略和网侧变频器的电网电压定向的恒功率因素控制策略。针对电网故障对风电机组运行特性的影响，网侧变频器增加参考电流limiter，直流电容增加chopper保护，变频器增加过流保护。搭建了PMSG的仿真模型，分析了电网三相短路情况下风电机组的响应特性。

1数学模型

直驱式永磁同步发电系统由风轮机、永磁同步发电机及全控的交直交变频器组成[12]如图1所示。

图1　PMSG结构图

1.1风轮机控制策略

当风速高于切入风速而又低于额定风速时，采用最大风能追踪控制策略，即在保证桨距角0°的条件下，使风力机获得最佳的叶尖速比使风力机输出最大功率。

(1)

式中：Pmax为风速为v时风力机捕获的最大功率；λopt为最佳的叶尖速比；Cp(λopt,β)为最佳叶尖速比时的风能利用系数[13]。

利用线性拟合，可得出最佳风速功率曲线。

(2)

(3)

式中：C1=0.517 6；C2=116；C3=0.4；C4=5；C6=0.006 8。

图2为不同风速下的风力机输出功率曲线。当风速高于额定风速而又低于风机切除风速时，改变桨距角，减小风机输出功率。当风速高出切除风速时，风机切除。

图2　风速功率曲线

图3　桨距角控制

图3为浆距角控制。图中，P*为额定功率；P是实际输出功率；τ为风轮机时间常数；β是风速变化之前的桨距角；β*是经过PI控制环节所得到的桨距角参考值。

1.2机侧变频器控制策略

PMSG遵循发电机惯例，以转子磁链为参考方向，经过dq变换得发电机定子电压[14]：

(4)

式中：usd，usq分别为定子电压dq轴分量；isd，isq分别为定子电流dq轴分量；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；ωr为电角速度；ψ 为永磁体磁链。

转子磁链定向在d轴上，q轴超前d轴90°，电压方程中忽略Rs，消除式(4)中dq轴的交叉耦合项，令

(5)

有

(6)

1.3网侧变频器控制策略

电网侧变频器通过直流电容与电机侧变频器相连，网侧变频器在dq坐标系下的电压、功率方程为

(7)

(8)

式中：uld，ulq为电压dq轴分量；ugd，ugq为电网电压的dq轴分量；igd，igq表示电流dq轴分量；R，L分别为变频器与电网连接线路的电阻、电感；P，Q分别为网侧变频器与电网交换的有功功率和无功功率。

将电网电压定向d轴：

(9)

(10)

式中：P>0表示变频器工作于逆变状态，有功功率的流向从直流电容流向电网；P<0表示变频器工作于整流状态，有功功率的流向从电网侧流向直流电容。Q>0表示变频器向电网发出滞后无功；Q<0表示变频器发出超前的无功。

电网电压恒定时， P，Q分别正比于电流igd，igq。但式(7)中，dq轴电流存在交叉耦合相，

令

(11)

得

(12)

由于PMSG通过全功率器件与电网相连接，减弱了机侧变频器与电网之间的电气联系，而网侧变频器与电网直接连接，受电网的影响很大。电网短路会导致风电机组输出的无功激增，直流电容电压也会骤变(后面仿真结果会给出)，而网侧变频器的参考电流由无功功率和直流电容电压通过PI控制器调制得出，超过PI控制器的超调量会使控制器失控。此外，超过IGBT额定电流一定倍数的电流会烧坏元器件，故对网侧变频器的增加参考电流限值器，减少外部故障对控制器的影响。图4为idq的相量图。图5为网侧参考电流限值器。

图4　idq相量图

图5　网侧参考电流限值器

(13)

(14)

函数f3(u)，f4(u)分别与f1(u)，f2(u)类似。ilim_grid_conv为网侧逆变器的电流最大值(1.5Ig)。

PMSG的控制图如图6所示。

图6　PMSG控制框图

2保护策略

2.1风电机组LVRT和HVRT

《风电场接入电力系统技术规定》(GB/T 19963-2011)对风电机组LVRT明确规定[15]如图7所示，其要求如下：

(1)风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625 ms。

图7　风电机组LVRT标准曲线

(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，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

但规程并没有对HVRT做出明确规定，只是要求当风电场并网点的电压在标称电压的90%～110%之间时，风电机组应能正常运行。

参考美国WECC(Western Electricity Coordinating Council)对风电机组的HVRT标准如图8所示。其要求：风电设备在1～1.05 p.u.电压时持续运行，在1.2 p.u.，1.175 p.u.，1.15 p.u.，1.1 p.u.电压下能分别持续运行1 s，2 s，3 s和4 s。

图8　风电机组HVRT标准曲线(WECC)

风电机组是否并网运行与风电机组的机端电压密切相关。在风电机组的并网点增加一组开关，开关的动作与否由电网电压控制。当检测出电网电压在风电机组运行在HVRT&LVRT两条曲线之间时，开关保持合闸状态；否则，保护触发，开关动作，跳开开关。如图9所示。

图9　并网电路

2.2直流电容chopper保护

当电网发生短路故障，造成电压骤降(如20%以下)时，机侧变频器向电网输入的有功骤减，但由于风机变桨距的机械响应速度比电气响应速度慢，不能进行有效的有功限制，直流电容上将集聚大量的有功，并使得直流侧母线电压迅速上升。为防止过高的直流侧母线电压损坏变频器，在直流电容侧增加直流电容chopper保护电路，直流电容电压过高时将触发chopper保护回路，通过制动电阻消耗直流侧过多能量，可实现风电机组的LVRT。此外，当电网电压升高时，chopper保护回路中IGBT以PWM斩波方式工作，对直流电压进行抑制，在一定程度上也能实现风电机组的HVRT。其控制框图如图10所示。

图10　chopper保护电路

直流电容电压是判断chopper保护电路是否触发的唯一条件。具体实现如图11所示。

图11　chopper保护实现框图

电网电压在规定的运行范围以内时，chopper保护回路的IGBT保持关断状态，保护电路无动作；当电网故障，电压骤升或骤降，直流电容电压值升高超出规定范围，IGBT触发，chopper保护回路导通，通过耗能电阻消耗积累在直流侧的能量，使直流电容电压回落并稳定在一定范围内。

chopper保护回路中的耗能电阻值取决于需要消耗的最大功率及其直流侧允许的最高电压，其值可由下式得出：

(15)

(16)

式中：ΔP为直流电容输入功率和输出功率差值，W；udc_max为直流电容电压上限，V。

2.3变频器过流保护

在电网发生短路故障时，机端电压骤降，变频器电流骤增，为了保护变频器不因过流损坏，在不增加额外元器件的前提下，给变频器电流设定上值(如Imax=1.5Ig)，超过电流上限，则不触发IGBT，IGBT回路不会导通，从而保护变频器元件免因电流过大而烧坏。具体实现电路如图12所示。

图12　过流保护

3算例分析

在emtp-rv中搭建2 MW的PMSG仿真模型，如图13所示，验证所采用的控制策略及保护措施的有效性。

图13　仿真模型

系统短路容量为1 000 MVA，直流电容电压为1.15 kV，其他参数如下。

(1)风力机：切入风速3 m/s，额定风速12 m/s，切出风速18 m/s；

(2)永磁电机：额定容量2 MW，额定电压0.575 kV，频率50 Hz，极对数14，定子电阻0.005 4 p.u.，定子电抗0.10 p.u.，转子电阻0.006 07 p.u.，转子电抗0.11 p.u.；

(3)chooper回路：Rchopper=0.65 Ω；Vdc=1.15 kV；上限Vdc_h=1.075 p.u.；下限Vdc_l=0.930 p.u.；

仿真设置，母线B4在第1 s发生三相金属性接地短路，故障持续0.625 s，在第1.625 s故障消除。

图14为母线B2电压波形。110 kV母线发生三相短路时，并网点母线B2电压跌落到0.2 p.u.以下至0.15 p.u.。故障消除后切除后网侧交流电压经过短时振荡能迅速恢复到额定值并保持稳定。由于网侧变频器采用d轴电压跟随电网电压的控制策略，故障时机端电压跌落至0.15 p.u.，故障切除时，网侧交流电压经过短时振荡也恢复至额定电压。

图14　母线B2电压

图15为风电机组输出的有功功率和无功功率曲线。故障前，风电机组向电网输出的有功功率0.9 MW，无功基本为0；故障时，有功输出迅速降为0，而向电网输出无功0.2 MVA；故障恢复时，为了迅速恢复机端电压，风机向电网吸收无功。故障时向电网发出无功，故障恢复时从电网吸收无功，这也印证了母线电压曲线，故障时电网电压急剧下降，故障消除时电网电压急剧上升。

图15　风电机组输出有功功率和无功功率

图16为转子转速的标幺值曲线。由于永磁电机与电网没有直接相联，是通过交直交变频器发生联系的，变频器减弱了二者之间的电气联系，故电网三相短路对电机的冲击也减弱了。由图可知，转子转速只是在故障消除时发生突变，但又迅速恢复稳定，速度并没有发生大幅的振荡。

图16　转子转速

图17为并网开关位置信号：1表示合闸状态；0表示分闸状态。从图17中可知，电网三相短路过程中，开关位置指示一直为1，故障期间开关没有跳开，一直处于合闸状态。即使在电网电压跌落到标准曲线0.2 p.u.以下，风电机组也能保持不脱网运行。故障期间，风电机组的控制策略有效，保护措施可靠，能够成功的实现LVRT。

图17　并网开关位置信号

图18为直流电容电压，故障期间，直流电容电压上升。这是由于发电机与电网通过全功率变频器连接，风轮机向电网输送的功率全部通过变频器传输。而图15表明，故障期间电机输出的有功为0，风力机产生的有功能量全部积聚到直流电容上，从而导致直流电容电压的上升。图19中的chopper保护触发信号：0表示未触发chopper保护回路的IGBT，chopper回路未导通；1表示触发IGBT，保护回路导通。故障瞬间，直流电容电压骤升，chopper保护回路的IGBT触发，保护回路导通，积累在直流电容上的能量通过chopper保护回路的耗能电阻卸能，从而保证了在发生故障时的1～1.625 s期间的直流电容电压能保持在一定范围之内。故障消除后，触发脉冲消失，关断IGBT回路，维持电容电压在额定范围值附近。由图18可知，故障期间，电容电压较额定值有所升高，但基本维持恒定值，故障消除后，电压迅速恢复为额定电压。

图18　直流电容电压

图19　chopper保护触发信号

图20为网侧变频器电流，图21为网侧变频器的开关信号。网侧变频器的最大电流没有超过变频器额定电流铁1.5倍，网侧逆变器的开关信号一直为0，故障期间网侧变频器一直处于工作状态。

图20　网侧变频器电流

图21　网侧变频器触发信号

图22为机侧变频器的电流，图23为机侧变频器的触发信号。同样故障期间，机侧逆变器也一直处于工作状态。

图22　机侧变频器电流

图23　机侧变频器触发信号

图25　网侧变频器参考电流和

4结论

(1)电网短路期间，为了维持网侧交流电压，PMSG只向电网输出无功，不输出有功，风轮机产生的有功能量积聚在直流电容上。

(2)交直交变频器减弱了永磁同步电机与电网之间的电气联系，也减弱了电网短路对电机的电气冲击。

(3)电网三相短路时，直流电容chopper保护回路IGBT触发，保护回路导通，直流电容积累的能量通过耗能电阻消耗，维持直流母线电压在稳定值。

(4)并网点电压跌落到规程规定的0.2 p.u.以下时，并网开关仍保持在合闸位置，风机能不脱网运行，验证了chopper保护回路的实用性。

(5)网侧参考电流limiter在电网故障期间对参考电流削峰限值，既能保障故障期间控制器的正常工作，又能防止网侧变频器因电流过大而烧毁。

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Operating Characteristic Analysis of Permanent Magnet Synchronous Generator with Chopper Circuit Responded to the Power System Short Circuit Fault

LIU Yong, MA Guanglin, NING Bo, WEI Xin

(Dalian Power Supply Company of State Grid, Dalian 116021, China)

Abstract：In order to analyze the operating characteristics of permanent magnet synchronous generator(PMSG) impacted by the power system short circuit fault, this paper researches maximum wind energy tracking control strategy of the wind turbine the machine side decoupling control strategy of active and reactive power of the AC-DC-AC converter and voltage orientation strategy of the gird side by mathematical model. For meeting the wind turbine low voltage ride through(LVRT) requirement, DC capacitor chooper protection circuit is used. When short-circuit fault occurs discharge resistance in chooper circuit can unload the energy, which could maintain the DC capacitor voltage stabilitily. At the same time the reference current limiter can also limit the impaction on the grid side converter by power system short circuit fault. The PMSG simulation model is constructed in emtp-rv platform, and its operating characteristics is simulated in the condition of power system three-phase short-circuit fault, causing the grid voltage drops below 0.2. The simulation results verify the control strategy correctly and DC capacitor chooper protection circuit effectively. The results provide the basis for the operating characteristic of the PMSG grid-connecting to the power system and the influence of power system short-circuit fault on the PMSG.

Keywords：chopper protection；discharge resistance; three-phase short-circuit；reference current limiter

收稿日期：2016-05-07。

作者简介：刘勇(1986-)，男，工程师，主要从事于电力系统变电一次设备运检方面的工作，E-mail:liuyong_0812@qq.com。

中图分类号:TM614

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.009