直驅風電并網變流器的低電壓穿越技術研究

1、    直驅風電并網變流器的低電壓穿越技術研究    摘要：風力發(fā)電作為可再生清潔能源的一種，近年來在國內電網中所占比重不斷增加，而風電機組的低電壓穿越能力密切影響著機組的安全穩(wěn)定運行?，F針對直驅型全功率風電變流器，在增加chopper電路及改進原有控制策略的基礎上，成功實現了變流器的低電壓穿越功能以及對電網的動態(tài)無功支撐;并開發(fā)樣機進行試驗，驗證了該方案的有效性和合理性。關鍵詞：直驅;低電壓穿越;chopper;無功支撐0    引言在環(huán)保問題日益嚴峻，并且大力提倡節(jié)能減排的形勢下，風力發(fā)電作為一種可再生清潔能源，在能源產業(yè)中所占比

2、重逐年攀升1。在大力發(fā)展風力發(fā)電的同時，也需要解決好風力機組運行穩(wěn)定性問題，以免對電網產生影響。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求風力發(fā)電機組必須具備低電壓穿越（lvrt）能力2。關于風電機組lvrt問題，風電主流國家相繼制定了符合自身發(fā)展的風電并網規(guī)程，提出了相應的lvrt技術要求3。而國內也根據自身實際情況制定了相對應的lvrt技術要求4。1    并網逆變器的數學模型及控制策略對于直驅型風力發(fā)電而言，機組通過網側逆變器與電網連接，網側及機側變流器可通過頻率及電壓解耦，電網電壓的突降并不會對永磁發(fā)電機及機側變流器產生直接影響。因此，全功率變流器的拓撲圖可簡化為如圖1所示。采用

3、基于電網電壓定向的矢量控制技術，將電網電壓矢量es定在兩相同步旋轉坐標系的d軸上，則可得ed=e，eq=0。建立網側變流器的數學模型為：ud=-rid-l+gliq+e          （1）uq=-rid-l-glid       （2）c=-idc   （3）由式（1）（2）可知，引入狀態(tài)反饋gliq與-glid可實現有功電流id與無功電流iq解耦，控制id即為控制有功功率，同樣通過控制iq即可控制無功功率。而由式（3）可知對直流側電壓的控制同樣也可以通過對id的控制來完成，因此，將pi控制器引入式

4、（3）即可獲得合適的有功電流指令id*。因此，并網逆變器控制策略采取獨立有功、無功控制。其中，有功通道外環(huán)控制直流電壓、內環(huán)控制注入電網有功電流;而無功通道內環(huán)控制注入電網的無功電流，外環(huán)控制注入無功功率的大小?？刂瓶驁D如圖2所示。2    低電壓穿越及動態(tài)無功支撐當電網電壓發(fā)生跌落時，并網變流器為了保持輸出功率恒定而使并網電流迅速增大。當達到允許最大電流時，由于機側功率保持恒定輸出，而網側輸出功率因電網電壓的跌落而大幅下降，這將導致直流側輸入及輸出功率的不平衡，直流母線電壓將迅速增加。變流器直流側的功率平衡方程式為：pgen-pgrid+pneg=udcc  

5、               （4）由式（4）可知，為保持直流母線電壓穩(wěn)定，可采用增加電容容量、降低發(fā)電機出力、在直流側并聯卸荷電路等方法。在考慮生產成本及安裝難度的情況下，通過在直流側并聯chopper電路來實現對多余能量的吸收，以保持直流母線電壓的穩(wěn)定，如圖3所示。對chopper電路開關器件的控制，采用直流側電壓的滯環(huán)控制方式，設定直流側電壓上限udcmax=1 150 v，比較直流電壓udc與udcmax，當udc>udcmax時，pwm信號觸發(fā)chopper電路開關器件導通，此時卸荷電阻通過開關器件

6、接入直流側，直流電容上多余的能量將通過卸荷電阻消耗。除低電壓穿越能力以外，標準中同樣要求了風電機組應具有無功電流輸出能力以支撐電網電壓恢復。而對于電網的快速無功支撐技術，是通過在原有控制基礎上進行改進，重新對無功電流和有功電流的參考值進行分配實現的。在原有無功通道上增加了一個電網電壓外環(huán)，其中無功電流參考值iq*由電網電壓外環(huán)經pi調節(jié)器得到，并通過式id*=對有功電流參考值進行計算，將計算結果代入有功電流計算通道，作為限幅值用于控制有功電流?？刂瓶驁D如圖4所示。3    試驗結果按上述控制策略制造了實驗樣機，并網變流器總容量2.5 mw，電網側電壓690 v，卸荷電阻阻值

7、按最大容量設計，直流側電壓最大值udcmax設定為1 150 v。在東方風電公司電網適應性試驗平臺上進行了低電壓穿越試驗，試驗工況為帶載100%，試驗波形如圖5、圖6所示。圖5、圖6分別為電網電壓在50%、20%兩種不同跌落深度下的試驗波形，每個波形圖從上到下信號波形分別為：電網三相電壓uabc、并網三相電流iabc、直流母線電壓udc和注入電網無功功率q。根據試驗結果可知，采用文中所述控制策略，變流器能適應電網電壓跌落的各種工況，而直流母線電壓udc始終保持在設定最大值udcmax1 150 v以下，并網逆變器在電網電壓跌落期間不脫網穩(wěn)定運行，并能按國標要求實現對電網電壓的快速無功支撐，待電

8、網電壓恢復正常后繼續(xù)運行。4    結語本文對直驅風電并網變流器模型進行了理論分析，在基于電網電壓定向的矢量控制基礎上，在主回路增加了chopper電路，在計算通道中增加了對電網電壓的無功支撐控制環(huán)節(jié)，實現了并網逆變器低電壓穿越及無功支撐功能，并成功通過試驗樣機驗證了文中所提方法的正確性及可行性。參考文獻1 金一丁，宋強，劉文華.直驅永磁同步風電機組的建模與仿真分析j.水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32（5）：47-51.2 鄭榮美，朱凌，張麗榮.不對稱故障下永磁風電系統(tǒng)低電壓穿越技術j.電測與儀表，2013（3）：20-23.3 australian energy market commission.