全功率风电系统高电压穿越的仿真与实验研究

2016-10-21喻俊鹏黄峰一胡斌

电源学报 2016年5期

关键词：变流器线电压过电压

喻俊鹏，黄峰一，胡斌

（深圳市禾望电气股份有限公司，深圳518055）

全功率风电系统高电压穿越的仿真与实验研究

喻俊鹏，黄峰一，胡斌

（深圳市禾望电气股份有限公司，深圳518055）

随着国内风电装机容量的不断增长，其对电网可能产生的影响也越来越大，因此电网对机组的电网适应性要求也在不断提高。高电压穿越（HVRT）作为电网适应性要求的一部分，国外已制定相应标准，国内虽暂时没有展开相关测试，但相关人员已经在研究高电压穿越相关技术了，其要求在国内也必将得到推广。因此，以风电全功率变流器高电压穿越为例，通过理论分析、仿真及实验，揭示高电压穿越时变流器的运行状态，并研究其相关的控制策略。

高电压穿越；风力发电；全功率变流器；稳态分析

引言

过去在风电领域对过电压的关注度相对较少，对过电压的应对策略研究也相对较少。但过电压在电网中其实时有发生，例如电压跌落故障清除后的电压恢复阶段、大容量电容补偿器的投入、电网中负载的突然减小等，都可能引发过电压［1］。因此，高电压穿越能力其实是保证并网类设备可靠运行的必备能力之一。

2011年2月24日甘肃酒泉598台风电机组从电网解列，274台为低电压时脱网，其余324台为高电压脱网。这次震惊国内电网事故后，低电压穿越要求被写入了国家标准。但是，风机在电网过压情况下适应问题，当时并未引起足够的重视。

在国外，欧美、澳大利亚等各国已制定了相关高电压穿越标准。在国内，高电压穿越也越来越引起业内的关注。中国电力科学研究院刘雪菁等的风电机组高电压穿越技术研究，表明标准制定及认证机构已经从技术上开始关注高电压穿越。相信不久的将来，高电压穿越将成为对风电机组考核的重要项目。在上述背景下，研究和实现高电压穿越功能已刻不容缓。

在高电网电压下，变流器的压力主要体现在直流母线上，网侧电压源型整流器VSR（voltagesource rectifier）可能无法将能量回馈到电网中，能量在直流母线上积累，引起直流母线电压升高，若控制策略选择不当，可能引起直流母线上Chopper持续动作直至过热；或者因母线电压过高危及半导体开关器件。如何选择控制策略，在保证变流器安全的情况下，表现出好的外特性是本文的研究重点。

1　理论分析

由于全功率变流器只有网侧与电网有电气连接，因此高压穿越时只需研究网侧。网侧电压源型整流器VSR示意［4］如图1所示。

图1　三相VSR示意Fig.1 Three phases VSR schematic

对于三相交流系统一般采用矢量控制，将三相交流量ua、ub、uc，用复平面空间矢量来描述为

由于矢量在相对复平面旋转，若定义一个与矢量同步旋转的坐标系，则在此坐标系中，矢量的位置保持不变，这个随矢量同步旋转的坐标系即为dq坐标系。下面的分析将基于dq坐标系进行。

桥臂电流正方向定义如图1中箭头所示。由于发波电压受制于母线电压，则有

式中：vdc为直流母线电压；vd、vq分别为dq坐标系d、q轴发波电压；k为坐标变换引入的常量，此处分析不必去计较采用哪种常量，因此用符号代替。若采用uq=0定向，稳态时，发波电压表达式为

式中：ud、uq分别为dq坐标系d轴和q轴电网电压，id、iq分别为dq坐标系桥臂d轴和q轴电流。将式（2）代入式（1），整理得

为分析不等式右值与id、iq的关系构造函数，即：

并令：

则有

因此，分析f（id，iq）与id，iq的关系时，只需分别分析f1（id）与id、f2（iq）与iq的关系即可。这两个一元函数都是开口向上的抛物线，且开口大小相同，顶点位置不同。其特点为：离对称轴越远函数值变化越快。f1（id）和f2（iq）的对称轴分别为

通常情况下有RS＜＜ωLS，因此f2（iq）的对称轴比f1（id）的对称轴离原点远得多，f2（iq）在原点附近的变化率比f1（id）大得多。

按实际参数：RS=0.225×10-3Ω，LS=0.06×10-3H，ud=563 V，ω=314 rad/s，绘制f1（id）、f2（iq）曲线，如图2所示。

从图2可以看出，当id、iq的在原点附近取值时，f1（id）变化较慢，f2（iq）变化较快，即iq的变化对f（id，iq）取值的影响较大，id的变化对f（id，iq）取值的影响较小。

工程上为了简化分析，令RS=0。代入式（4），得

图2　f1（id）、f2（iq）与id、iq的关系曲线Fig.2 The relationship between f1（id），f2（iq）and id，iq

由于额定电流的限制，id、iq实际应用时绝对值不能太大，且由于RS、ωLS较小，则有

进一步简化得

通过式（10），可以得出与前述理论分析类似的结论。综上，有以下结论：①f（id，iq）随iq增大而增大；②f（id，iq）基本不随id变化而变化。

参考上述结论，高电压穿越时，若电网电压ud很高，欲使不等式（4）成立，有如下两种选择：①iq越小越好，最好取负值，使变流器吸收无功功率；②母线电压越高越好。上述两种选择，第1种符合电网电压升高，要求发电设备吸收无功功率的标准要求；第2种增加变流器开关器件压力。加强其中一种选择，可减轻另一种的压力，需要权衡，在确保变流器安全的情况下实现最优的外特性。

2　仿真研究

参照国外标准及国内光伏标准［2-3］，本文提出以下高电压穿越要求，如图3所示。从图中可以看出，本文所提要求的包络线均在其他所有标准之上，可完全覆盖其他标准。

理论分析表明，在过电压作用下，稳态工作点可能发生变化。基于本文所提要求进行仿真，通过稳态仿真来寻找最优的稳态工作点。

图3　本文所提高电压穿越要求与其他标准对比Fig.3 HVRT Requirement in this paper compared with other standards

仿真对象为全功率2.0 MW变流器，电网额定电压为690 V。由于满载高电压穿越对母线的压力最大，因此我们选取仿真工况：满载2.0 MW，1.3 p.u.过电压。

2.1仿真1

参数设置不使能Chopper动作（即不吸收有功功率），不使能无功支持（即不使变流器吸收无功功率）。稳态仿真1波形如图4所示。

由图4可见，在电压突升及恢复瞬间，母线电压、有功功率及无功功率均受到一定的冲击，但对瞬态过程的研究不属于本文研究的范畴，故只关注稳态工作点。从图4中读取稳态工作点1：有功功率输出2 MW，无功输出0 Mvar，母线电压1 200～ 1 225 V。

2.2仿真2

参数设置为使能Chopper动作（即允许吸收有功），但将动作电压点设高，使其稳态下不动作，使能无功支持（即使变流器吸收无功功率）。稳态仿真2波形如图5所示。

从图5中读取稳态工作点2：有功输出2.0 MW，无功输出约-1.5 Mvar，即吸收无功功率，母线电压1 130～1 150 V。

从上述2种仿真稳态工作点来看，稳态工作点2外特性是符合期望值，既没有损失有功功率，又提供了无功功率，有利于电网电压恢复，而且母线电压也较低，实际实现时宜采用仿真2的策略。

图4　稳态仿真1波形Fig.4 Waveforms of steady-state simulation 1

图5　稳态仿真2波形Fig.5 Waveforms of steady-state simulation 2

3　实验结果

本文实验基于禾望电气国内最先进的电网适应性测试平台进行，其测试平台拓扑示意如图6所示。

图6　禾望电气电网适应性测试平台Fig.6 Grid adaptabilities test platform of hopewind electric Co.Ltd.

整个实验系统由3.5 MW原动系统、3.5 MW双馈发电机、电网模拟源AC电源、690 V/897 V/2.5 MW升压变压器组成。由于AC Source输出最高电压为759 V，因而在输出端还串入一个DYn11的升压变压器使得其输出最高电压可以达到986 V，完全覆盖了现有高电压测试标准的需求。

本实验采用全功率2.0 MW变流器作为被测设备。为验证上述分析及仿真结论，此处只需选取一个工况进行对比实验即可。实验工况为1 MW负载下过电压125%。

3.1实验1

高电压穿越无功支持使能，实验1结果如图7所示。图中直流母线电压为（实际直流母线电压-1 000）×10后的波形。从图7波形可以看出，高压穿越过程中直流母线电压稳定在1 060 V左右，无功电流q轴分量标幺值约为-2 200，相对于高电压穿越前的无功电流值-930，下降了1 270，即高电压穿越期间进行了无功支持。

图7　实验1波形Fig.7 Waveforms of experiment 1

3.2实验2

高电压穿越无功支持不使能，实验2结果如图8所示。图中直流母线电压为（实际直流母线电压-1000）×10后的波形。与图7相比，将无功支持电流目标滤波值替换成了有功功率（kW）。从图8可以看出，高压穿越过程中直流母线电压稳定在1 145 V左右，无功支持电流q轴分量标幺值约为-1 100，相对于高电压穿越前的无功电流值-930，下降了170，即高电压穿越期间基本上没有进行无功支持。

对比实验1和实验2的波形可看出，在无功支持作用下，直流母线电压下降了约85 V，无功支持有利于减小母线压力，理论分析及仿真结论一致。

图8　实验2波形Fig.8 Waveform of experimen t2

4　结论

（1）高电压穿越时，要建立新的稳态工作点，有两种选择：提高母线电压和吸收无功功率。

（2）高电压穿越时，使变流器吸收无功功率，并适当提高Chopper触发点，能获得较好的外特性。

［1］刘雪菁，朱丹，宋飞，等.风电机组高电压穿越技术研究［J］.可再生能源，2013，31（11）：34～38.Liu Xuejing，Zhu Dan，Song Fei，et al.Feasibility analysis on high voltage ride-through of wind turbines［J］.Renewable Energy Resources，2013，31（11）：34～38（in Chinese）.

［2］Transpower New Zealand Ltd.Transmission system planning criteria［S］.2003：20～30.

［3］中国国家标准化管理委员会.光伏发电站接入电力系统技术规定GB/T 19964-2012［S］.Standardization Administration of The People's Republic of China.Photovoltaic power station connected to power system technical standard，GB/T 19964-2012［S］.（in Chinese）.

［4］熊宇，李玉玲，陆涛涛，等.三相电压型PWM整流器的分析和设计［J］.电源学报，2003，1（4）：545～548. Xiong Yu，Li Yuling，Lu Taotao，et al.The analysis and design of three phasees voltage soure rectifier［J］.Journal of Power Supply，2003，1（7）：545～548（in Chinese）.

Simulation and Testing Research of Wind Turbines High Voltage Ride Through

YU Junpeng，HUANG Fengyi，HU Bin
（Shenzhen Hopewind Electric Co.Ltd.，Shenzhen 518055，China）

With the increase of the capacity of wind power generation，the wind turbines may affect grid greatly. And the grid companies have proposed higher and higher grid adaptabilities for wind turbines.As one requirement of grid adaptabilities，High voltage ride through（HVRT）has become a standard in foreign countries.In our country，there has not such standard，but many researchers are，studying on this，the HVRT standard will come true soon.In this paper，using full power converter as an object of study，some researches on running states and control methods are done by theoretical analysis，simulations and tests when high voltage occurs.

high voltage ride through（HVRT）；wind turbines；full power converter；steady-state analysis