一种用于直驱型风力发电机的高电压穿越技术的研究

潘莞奴，谢冬梅

（沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁沈阳 110136）

目前，大多数风电厂采用双馈型异步风机，而日趋增加的风电装机容量与传动系统结构的改变，使永磁直驱风力发电机因采用全功率变流器及其自身特点有着更好的低电压穿越能力，所以激发了学术界极大的关注与研究热情[1-3]。但受到限制的是当机组低电压穿越恢复正常运行后，会引发高电压故障下的连锁脱网解列现象。

针对高电压穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）问题，主要从增加外部设备和优化控制策略方面展开相关研究工作。文献[4]提出了一种无功功率分配策略，在高电压时优先分配无功电流，同时增加直流卸荷电路装置以降低直流侧电压。文献[5-6]提出一种基于静止无功补偿器的高电压穿越技术方案以达到补偿电压的目的。文献[7]是根据高电压下直流母线侧功率变化，提出改进的机侧和网侧变流器控制策略。文献[8]是由电压骤升的特性入手，提出一种基于双模式控制的高电压穿越方案。目前，很多方案都是针对双馈风力发电机的，对直驱型风机的研究比较单一。因此，在已有文献的基础上，在并网导则新规范围内，本文提出了一种可以根据电压骤升幅度降低直流侧电压的高电压穿越技术方案，并且通过软件Matlab/Simu‐link进行仿真实验。

1 高电压穿越技术并网导则规定

风电机组的低/高电压穿越统称为故障穿越。早在很久以前国外就已经开始了对电压穿越技术的研究，延续至今低电压穿越已有了成形的技术规定。但是，对于明确的高电压穿越技术标准，包括电网电压骤升幅度、持续时间和电压适用范围等方面，国外也仅有德国、美国、澳大利亚等主流风电国家提出，如表1所示。

表1 各国并网高电压穿越技术指标

而近年来随着研究的深入和技术的改进，我国在2018 年拟定的GB/T 36995-《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》中对HVRT 作了技术规定，如表2所示。

表2 我国高电压穿越技术规定

2 直驱式风电机组的结构及运行原理

PMSG 采用的是背靠背式双PWM 三相电压型变流器，如图1 所示。这种机型是多级电机与叶轮直连进行发电机驱动的拓扑方式，风轮机与永磁同步发电机耦合后经全控变流器将发出的交流电转换成与电网相互匹配的直流电馈入，其中机侧（MSC）和网侧变流器（GSC）连着直流电容相互独立运行，工作在不同状态下可实现能量双向流动。机侧变流器是根据发电机的电磁转矩控制输出功率的大小；网侧变流器则更侧重于维持直流侧电压平衡。

图1 直驱型风力发电机的拓扑结构

3 电压骤升时的功率关系

永磁直驱风力发电机在运行过程中，整个系统按照电压的大小决定输出功率的流向。由图2所示的功率平衡关系可知，在稳态电路运行并忽略定转子损耗等因素的情况下，直流稳压电容侧电压恒定，且流经直流侧两侧的功率相等，即Pe=Ps=Pg。当电网电压升高远超风机输出电压上限时，变流器输出功率达到上限，此时由网侧到电网流过的有功电流减小，直接导致风机功率潮流方向由电网馈入GSC 变流器，而此时发电机输出的功率不变，使直流母线上产生过电压。直驱风电系统主控回路功率关系变为ΔP=其中Pneg为电网逆流至网侧的功率。由于在长时间的运行情况下，直流侧电容器能够承载的功率有限，因此必须要使PMSG具备高电压穿越能力。

图2 PMSG的功率传输平衡关系

4 高电压穿越技术方案研究

为了使永磁直驱风力发电机组在高电压故障期间，除了直流侧不发生过电压现象之外还能够保持并网稳定运行，这里提出了一种可以根据电压骤升幅度降低直流侧电压的高电压穿越技术方案。

4.1 机侧变流器控制策略

双PWM变流器的机侧和网侧结构都是三相电压型，在三相交流电压为对称的情况下，根据基尔霍夫电压对称电流控制定律，其拓扑结构在派克变换下的机侧变流器在两相d、q轴坐标系下的数学表达式如下：

通常，机侧变流器往往用的是双闭环结构控制下的工作策略，外环的转速输出控制能够实现最大风能跟踪，内环利用零d轴电流控制。在高电压故障期间，机侧依旧采用双闭环结构，其控制策略如图3 所示。此时由于故障判断得到电压骤升信号，所以网侧有功功率值反馈到机侧变流器，机侧通过有功反馈差值来相应调整发电机的转速，最终得到机端输出有功功率的参考值。外环将给定的有功参考值与实际机侧输出功率值Ps进行做差计算，经PI 调节器环节之后，得到q轴电流的参考值而内环转子电流控制=0，所以将其与同时和实际的输入值进行了比较，再经PI积分比例调节后加上耦合电压项，便可得到d、q旋转坐标轴下的电压控制输出量uds、uqs，经派克变换dq/abc 加上脉冲调制后，即可产生实际工作需要的机侧电压开关脉冲控制信号。

图3 机侧变流器的控制策略

4.2 网侧变流器的协调控制策略

GSC 变流器的工作原理是在保持直流侧输出电压稳定的基础上，实现对交流侧电网的输出并网及有功和无功功率的解耦控制。由于其结构与发动机侧相同，所以它在d、q轴坐标系中用数学的方式表达定义为

网侧变流器控制利用的是电网电压定向矢量控制，通过将电路中给定直流侧电压的参考值与实际交流侧电压输入值udc进行比较，获得电压PI调节后的d轴电流的参考值。当电网电压骤升至1.1 p.u或远超额定值时，风电机组则需要按照电压骤升值与额定无功补偿电流值至少为1∶2 的原则对电网进行就地补偿，则：

式中，igq为网侧q轴无功电流为并网点额定电压标称值；ug为并网点实际电压值；IN为并网点额定电流。

由如图4 所示的网侧变流器的控制策略可以得到：网侧逆变器容量不得超出限值，电网电压不可超出最大允许电流值igmax，所以最大有功电流限值igd为

图4 网侧变流器的控制策略

网侧逆变器上的控制策略目的是能将稳态时得到的有功电流参考值与网侧的最大有功限值进行比较，两者之间取一较小值作为有功电流给定不同于工作在单位功率因数下的网侧变流器，这时其需要自动转换到故障运行模式下，若自身的无功变流器补偿容量超过电流限制，则在故障时并网高压侧接入静止无功补偿器（STATCOM）共同为电网快速恢复正常提供动态无功支撑，其电路结构如图5所示。

图5 STATCOM的电路拓扑结构

4.3 直流侧双卸荷电路

对于不同程度的电压骤升故障需要不同的控制方案，当电压基于理想状态下或是电压小幅度骤升时，永磁直驱风力发电机组利用双PWM 变流器的控制策略即可满足补偿需要；而当电网电压仍大幅继续上升且超过限值时，仅靠变流器自身无功补偿策略已经无法维持直驱风电系统的稳定，此时就要在网侧并接静止无功补偿器，同时必须在直流侧增设双卸荷电路，协调控制高电压幅值降于稳定值范围内，控制流程如图6所示。

图6 直驱风机高电压穿越控制流程

双卸荷电路工作原理如图7 所示。电路并联在直流电容侧消耗多余能量，其中IGBT开关K1控制驱动并联在电容两端的电阻R1，电阻R2、R3 并联后再与电阻R1 并接，由开关K2 控制开断。然后根据给定的母线电压参考值与实际反馈电压值对比，经过PI积分比例调节器和滞环环节控制功率器件导通占空比K。占空比控制开关的投入和切出，若K=1 则确定卸荷电阻R1 的开启，反之亦然。与此同时，电阻R2、R3 的开断信号也经过滞环环节，同理可得。

当直流侧电压大于额定值时，开关K1导通，控制电阻R1 启动；当母线上达到最大电压限值时，K1、K2 同时导通，控制3 个电阻同时启动。若此时检测到并网点电压低于0.9 p.u.或高于1.1 p.u.时，那么变流器就要配合直流侧卸荷电路协调运行，机侧反馈有功差值调整发电机转速，网侧并接静止无功补偿器快速向电网补偿无功，保持直流侧电压稳定的同时，确保电网并网运行。

图7 双模式卸荷电阻的控制结构

5 仿真验证分析

基于MATLAB/Simulink 仿真模拟软件搭建一个2.5 MW 级的永磁直驱风力发电系统的仿真模型[9]。其中并网电压为690 V，经过升压变压器与35 kV电网相连，具体参数如表3所示。

表3 风电机组的参数

本文模拟了当并网点电压骤升至1.2 p.u.时，要求风电机组的持续时间为10 s，传统方案下无功补偿不足，使直流侧电压骤升幅值大，且不能在有效时间内降至1.0 p.u。

本文所提出的基于卸荷电路的HVRT 控制方案则能够实现优先发出无功支撑电网恢复[10]，如图8（a-c）所示。由图8 可知，并网点电压即使有轻微波动也能趋于稳定，直流母线电压的波动范围缩小且能够稳定在1 120 V左右，同时网侧与STATCOM共同补偿近0.5 MW 的无功功率，即仿真实验证明该方案能够有效提高直驱风电系统高电压穿越能力。

图8 基于卸荷电阻的HVRT技术方案的仿真波形

6 结论

本文依据HVRT 技术准则，提出了一种可以根据电压骤升幅度降低直流侧电压的高电压穿越技术方案，并且协调变流器控制策略运行，通过仿真测试软件有效地验证了该解决方案的实际可行性及其正确性。相比以往的直驱型传统方案，该方案是在自身无功不足的情况下外接STATCOM，快速、有效地支撑风电网无功恢复，提高了交流直驱型风电机组解决高电压穿越故障问题的能力，且这里提出的解决方案仅针对于对称电压穿越故障下的直流侧电压骤升幅度问题。