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标题	直驱变流器高压穿越控制策略研究
范文	郜亚秋等 摘 要： 近年来风电机组的大规模并网带来的问题越来越受到关注，因电网电压骤升引起的事故逐年增加，因此风电机组的高电压穿越技术越来越受到重视。介绍一种直驱并网变流器的高电压穿越控制策略，通过提高变流器的无功调节能力和直流DBR电路配合控制的方法，当高电压发生时，变流器的电网检测模块检测到过压后，变流器进入HVRT模式，根据电压升高的水平向电网提供无功支持，直流母线泄放电路进行直流母线电压稳压控制，完成变流器暂态过程过渡，进入稳态。此方案可以在已有的低压穿越硬件基础上完成，经济易行，非常适合对已运行风电场的升级改造。 关键词： 直驱变流器； 高电压穿越； 无功调节； 泄放电路 中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0117?04 Abstract： Recent years， more attention is focused on the problems of large?scale grid in wind turbine， the accidents caused by grid voltage surge are increasing year by year， high voltage through technology of the wind turbine is paid more attention. A control strategy of high voltage ride through applying in direct driven converter is introduced， by the control method to improve the reactive power regulation ability of the converter combines with DC DBR circuit. When high voltage occurs， the overvoltage is detect by grid detection module then the converter is into HVRT mode. Reactive power is provided according to the level of high voltage， DC bus voltage is maintained by DC bus discharge circuit， the converter goes through the transient process to steady state. The proposed scheme is implemented with the existing hardware of the low voltage ride through， with the character of economic and convenient， and suitable for upgrade in operating wind farms. Keywords： direct drive converter； HVRT； reactive power regulation； discharge circuit 0 引 言 当电网电压发生故障骤升时，如果不加以控制，可能会造成变流器和风电机组的损坏，同时也可能对电网产生功率冲击，造成电力系统的暂态不稳定，严重时可能导致局部甚至系统瘫痪，危害电网中其他设备甚至造成更严重的损失。因此，并网型风力发电设备的故障穿越能力十分重要，当电网故障或者扰动引起风电场并网点的电压升高时，风电机组能够不间断的并网运行，在必要的时候还需要对电网提供无功功率的支持，完成电网电压骤升到恢复正常过程的故障穿越。 实际运行的风电场中，很对因素可能导致电网电压的骤升，例如：单相对地故障、风电场负载的突然切除、大的电容补偿器的投入等。直驱型风电变流器的网侧直接与电网相连，当电网电压骤升时，电网侧功率无法送出，功率由电网侧流入变流器，导致直流母线电压快速升高，进而导致系统故障停机，严重情况下还可能因为过电压毁坏功率器件IGBT，造成重大损失。针对直驱变流器的电网高电压问题，本文采用网侧无功电流控制、正负序电流控制和直流泄放电路相结合的方式实现机组的高电压穿越。本方法可以在现有的低电压穿越硬件电路基础上进行，以最低的改造成本完成高电压穿越（HVRT）。 1 高电压穿越标准现状 目前中国还没有制定高电压穿越标准，但是国外已有很多国家的并网导则中规定了高电压穿越的具体要求。例如：澳大利亚并网导则要求当电网电压骤升至额定电压的130%时，风电机组应持续60 ms而不脱网，并提供足够大的故障恢复电流；德国E.ON在并网导则中规定当电网电压骤升为额定的125%时，风电机组能保持100 ms运行不脱网，且要求在高电压情况下风电机组需要吸收一定量的无功功率；丹麦、苏格兰和美国WECC在并网点均要求风电场具有1.2 pu的高电压穿越能力。由上述并网导则要求，可知风力发电机需要具备抵御和穿越高电压的能力。 以澳大利亚并网导则要求为例说明高电压穿越的要求，如图1所示，当电网电压骤升为额定电压的115%～130%时，要求风电机组能够持续运行1 s的能力。 2 直驱变流器高电压穿越实现 当电网电压骤升时，电网侧的功率无法及时送出，同时电机侧的功率流入变流器，直流电压将会快速升高，当电压超过开关器件能承受的耐压极限时将会引起变频器开关器件的损坏，针对高电压可能产生的问题，变流器采取优化软件控制和硬件泄放电路结合的方式完成高电压穿越。 2.1 高电压穿越软件技术方案 针对变流器的高电压状态，软件控制采取网侧无功电流调节、电网电压不平衡锁相和电流正负序相结合的控制方案。 2.1.1 无功调节方案 当电网电压发生高电压时，变流器的电网检测模块检测到过压后，机侧变流器与网侧变流器进入HVRT模式，根据变流器检测到的电网电压升高的水平提供网侧无功支持，使变流器快速渡过暂态过程进入稳态。 通过无功电流调节电网电压的原理如图2所示。其中：[E]表示电网电压电动势矢量；[U]表示变流器输出电压矢量；[IL]表示流过电感的基波电流；[UL]表示在网侧电感上产生的压降；圆形区域内为变流器滤波电感压降作用域。 电网电压升高时网侧变流器的无功电流指令计算公式为[Iq=k*（MUg-1），]式中[MUg]为电网电压标幺值幅值，[k]需要根据变流器功率等级的实际情况确定。通过网侧变流器提供的无功支持，一定程度上可以帮助缓解电网电压骤升。 2.1.2 电网电压不平衡锁相方案 当电网电压骤升时，电网电压可能同时出现电网电动势不平衡，而常规的控制策略中的电网电压锁相是基于电网电压平衡状态下使用的，常规的控制策略在电网电动势出现不平衡时存在致命的缺陷：基于正序锁相的软锁相环已经失去有效性，无法准确进行锁相获取网侧矢量控制需要的电网电压角度信息，导致网侧矢量控制失效，将造成变流器因过流过压故障跳闸等。因此设计基于正负序双同步参考系（Double Synchronous Reference Frame，DSRF）的软件锁相环对变流器在高电压状态下的控制具有重要的作用，它能够快速分离出电网电动势的正负序分量并进行分别独立的锁相，为高电压穿越的顺利实现奠定基础。 2.1.3 正负序电流控制方案 当电网电压骤升产生电网不平衡时，常规控制策略下的并网逆变器交流侧会产生负序电流，当电网不平衡状态严重时，负序电流将变得更加严重。负序电流的产生一方面会威胁逆变器的安全运行；另一方面会向电网注入不平衡功率，导致电网的不平衡加剧。因此为了抑制电网不平衡条件下逆变器的交流负序电流，在控制策略中加入了负序控制环，将负序电流指令给定为零，采用PI调节器，负序电流环控制使三相交流电流中不含有负序电流，三相电流对称，可以实现开关管电流分配均匀。 采用正负序控制方案的原理框图，如图6所示。在常规矢量控制策略的基础上，加入了[d]轴和[q]轴的负序电流环控制和电网电压前馈控制算法，将负序电流控制环指令给定均为零，通过PI调节器输出得到的控制量与正序电流环控制输出相叠加，得到控制指令送入SVPWM调制模块，即可完成正负序相结合的控制方案。 2.2 高电压穿越硬件技术方案 当电网电压突然升高时，电网侧的功率无法送出，并且功率通过电网流入变流器，导致直流侧母线电压值快速升高。因此为了保证直流母线电压不超过变流器允许最大值，并保护变流器的开关器件不受到损坏，需要在直流侧加入泄荷电路，当电网电压升高时，通过泄荷电路将电网侧无法送出的能量泄放掉，保证不损坏变流器的器件。 目前通常采用在直流侧并联泄荷电路（DBR）的方案。如图7所示，泄荷电路并联在直流母线上，由一个（或多个）泄荷电阻以及一个（或多个）开关组成，泄荷电阻上并联有二极管器件。目前具备低电压穿越能力的直驱变流器均配有直流侧的泄荷电路。因此，具有低电压穿越能力的直驱变流器在高电压穿越过程中可直接通过能耗电路完成能量泄荷，不需要额外的硬件改造。 高电压状态下泄荷电路工作原理与低电压状态一致，变流器实时检测直流母线电压，当直流母线电压升高至泄荷电阻触发电压值时，开通直流母线DBR电路中的开关器件IGBT，通过泄放电阻将积聚的能量释放掉，控制直流母线电压不超过母线电压保护值，当直流母线电压降低到变流器允许的最低直流母线电压值时，关断IGBT。通过泄荷电路保证在电网电压升高状态下多余能量的释放和直流母线电压在允许范围内波动。 3 高电压穿越仿真研究 搭建系统仿真模型，仿真中选择的参数为：变流器额定功率[Pn=]1.5 MW，变流器额定直流母线电压[UDC=]1 080 V，变流器允许的最高直流母线电压为1 180 V，三相电网额定线电压为690 V，变流器额定电流为1 255 A。仿真中设定在0.6～1.0 s时三相电网电压升高为130%额定电压。 4 结 语 通过本文的原理介绍和仿真结论可知，采用软件优化控制和硬件电路结合的方式完全可以实现直驱变流器机组的高电压穿越，并且在目前已具备LVRT功能的直驱变流器机组条件下，可以不另外增加硬件成本，实现直驱变流器机组的HVRT功能，对于风机厂家来说，可以大大减少机组改造成本，具有较高的实用价值。 参考文献 [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. [2] 曲庭余.双馈风力发电机高电压穿越技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2012. [3] 贾超，李广凯，王劲松，等.直驱型风电系统高电压穿越仿真分析[J].电力科学与工程，2012，28（10）：1?5. [4] 石权利.电网电压骤升下双馈风力发电机网侧变流器控制策略研究[D].合肥：合肥工业大学，2013. [5] 李伟，杨金明，曾君，等.WiFi无线技术在风电机组状态监测系统中的应用[J].现代电子技术，2013，36（9）：9?12. [6] 陈明泽，于刚.基于无线数据传输及远程功能的风电机组监测诊断系统[J].现代电子技术，2008，31（13）：19?22. 技术文
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