直驱风电并网变流器的低电压穿越技术研究

摘要：风力发电作为可再生清洁能源的一种，近年来在国内电网中所占比重不断增加，而风电机组的低电压穿越能力密切影响着机组的安全稳定运行。现针对直驱型全功率风电变流器，在增加chopper电路及改进原有控制策略的基础上，成功实现了变流器的低电压穿越功能以及对电网的动态无功支撑;并开发样机进行试验，验证了该方案的有效性和合理性。

关键词：直驱;低电压穿越;chopper;无功支撑

0    引言

在环保问题日益严峻，并且大力提倡节能减排的形势下，风力发电作为一种可再生清洁能源，在能源产业中所占比重逐年攀升[1]。在大力发展风力发电的同时，也需要解决好风力机组运行稳定性问题，以免对电网产生影响。为保证电力系统的稳定性，要求风力发电机组必须具备低电压穿越（LVRT）能力[2]。关于风电机组LVRT问题，风电主流国家相继制定了符合自身发展的风电并网规程，提出了相应的LVRT技术要求[3]。而国内也根据自身实际情况制定了相对应的LVRT技术要求[4]。

1    并网逆变器的数学模型及控制策略

对于直驱型风力发电而言，机组通过网侧逆变器与电网连接，网侧及机侧变流器可通过频率及电压解耦，电网电压的突降并不会对永磁发电机及机侧变流器产生直接影响。因此，全功率变流器的拓扑图可简化为如图1所示。

采用基于电网电压定向的矢量控制技术，将电网电压矢量es定在两相同步旋转坐标系的d轴上，则可得ed=e，eq=0。建立网侧变流器的数学模型为：

ud=-Rid-L+ωgLiq+e          （1）

uq=-Rid-L-ωgLid       （2）

C=-idc   （3）

由式（1）（2）可知，引入状态反馈ωgLiq与-ωgLid可实现有功电流id与无功电流iq解耦，控制id即为控制有功功率，同样通过控制iq即可控制无功功率。而由式（3）可知对直流侧电压的控制同样也可以通过对id的控制来完成，因此，将PI控制器引入式（3）即可获得合适的有功电流指令id*。

因此，并网逆变器控制策略采取独立有功、无功控制。其中，有功通道外环控制直流电压、内环控制注入电网有功电流;而无功通道内环控制注入电网的无功电流，外环控制注入无功功率的大小。控制框图如图2所示。

2    低电压穿越及动态无功支撑

当电网电压发生跌落时，并网变流器为了保持输出功率恒定而使并网电流迅速增大。当达到允许最大电流时，由于机侧功率保持恒定输出，而网侧输出功率因电网电压的跌落而大幅下降，这将导致直流侧输入及输出功率的不平衡，直流母线电压将迅速增加。变流器直流侧的功率平衡方程式为：

Pgen-Pgrid+Pneg=UdcC                  （4）

由式（4）可知，为保持直流母线电压稳定，可采用增加电容容量、降低发电机出力、在直流侧并联卸荷电路等方法。在考虑生产成本及安装难度的情况下，通过在直流侧并联chopper电路来实现对多余能量的吸收，以保持直流母线电压的稳定，如图3所示。对chopper电路开关器件的控制，采用直流侧电压的滞环控制方式，设定直流侧电压上限Udcmax=1 150 V，比較直流电压Udc与Udcmax，当Udc>Udcmax时，PWM信号触发chopper电路开关器件导通，此时卸荷电阻通过开关器件接入直流侧，直流电容上多余的能量将通过卸荷电阻消耗。

除低电压穿越能力以外，标准中同样要求了风电机组应具有无功电流输出能力以支撑电网电压恢复。而对于电网的快速无功支撑技术，是通过在原有控制基础上进行改进，重新对无功电流和有功电流的参考值进行分配实现的。在原有无功通道上增加了一个电网电压外环，其中无功电流参考值iq*由电网电压外环经PI调节器得到，并通过式id*=对有功电流参考值进行计算，将计算结果代入有功电流计算通道，作为限幅值用于控制有功电流。控制框图如图4所示。

3    试验结果

按上述控制策略制造了实验样机，并网变流器总容量2.5 MW，电网侧电压690 V，卸荷电阻阻值按最大容量设计，直流侧电压最大值Udcmax设定为1 150 V。在东方风电公司电网适应性试验平台上进行了低电压穿越试验，试验工况为带载100%，试验波形如图5、图6所示。

图5、图6分别为电网电压在50%、20%两种不同跌落深度下的试验波形，每个波形图从上到下信号波形分别为：电网三相电压Uabc、并网三相电流Iabc、直流母线电压Udc和注入电网无功功率Q。根据试验结果可知，采用文中所述控制策略，变流器能适应电网电压跌落的各种工况，而直流母线电压Udc始终保持在设定最大值Udcmax1 150 V以下，并网逆变器在电网电压跌落期间不脱网稳定运行，并能按国标要求实现对电网电压的快速无功支撑，待电网电压恢复正常后继续运行。

4    结语

本文对直驱风电并网变流器模型进行了理论分析，在基于电网电压定向的矢量控制基础上，在主回路增加了chopper电路，在计算通道中增加了对电网电压的无功支撑控制环节，实现了并网逆变器低电压穿越及无功支撑功能，并成功通过试验样机验证了文中所提方法的正确性及可行性。

[参考文献]

[1] 金一丁，宋强，刘文华.直驱永磁同步风电机组的建模与仿真分析[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（5）：47-51.

[2] 郑荣美，朱凌，张丽荣.不对称故障下永磁风电系统低电压穿越技术[J].电测与仪表，2013（3）：20-23.

[3] Australian Energy Market Commission.National electr-

icity rules-chapter 5-grid connection[S].Sydney， Australia：AEMC，2012.

[4] 风电场接入电力系统技术规定：GB/T 19963—2011[S].

收稿日期：2020-07-07

作者简介：吴敌（1986—），男，四川德阳人，工程师，研究方向：电力电子与电气拖动。