弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓穿越特性及其對(duì)機(jī)端暫態(tài)電壓的影響

　　摘要：新能源常通過(guò)特高壓交/直流輸電系統(tǒng)送出，新能源匯集送端電網(wǎng)配套火電機(jī)組少，電網(wǎng)強(qiáng)度弱，直流閉鎖或交流嚴(yán)重短路故障后的暫態(tài)過(guò)電壓易引發(fā)風(fēng)電脫網(wǎng)。本文基于典型電壓穿越策略建立永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)(Mutil-polepermanentmagnetsynchronousgeneratorbasedwindgenerator,PMSG)并網(wǎng)模型，研究弱電網(wǎng)中送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端短路故障時(shí)的PMSG功率特性，揭示故障發(fā)生與清除時(shí)刻PMSG控制產(chǎn)生誤差的原因，分析PMSG控制策略與參數(shù)對(duì)機(jī)組功率特性以及機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓特性的影響。研究結(jié)果表明，遠(yuǎn)端短路故障清除時(shí)刻PMSG網(wǎng)側(cè)電壓相位一般向后跳變，由于鎖相環(huán)存在時(shí)延，使暫態(tài)過(guò)程中鎖相結(jié)果超前于實(shí)際相位，導(dǎo)致PMSG有功/無(wú)功控制不解耦，電流控制產(chǎn)生誤差，由于鎖相結(jié)果超前實(shí)際相位產(chǎn)生的控制誤差會(huì)抑制網(wǎng)側(cè)電壓的快速抬升。

　　關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)機(jī);弱交流電網(wǎng);暫態(tài)過(guò)電壓;低電壓穿越;鎖相環(huán)

　　1引言

　　中國(guó)華北、東北、西北等區(qū)域的風(fēng)資源豐富[1]，經(jīng)特高壓交/直流系統(tǒng)跨區(qū)域外送是消納這些區(qū)域新能源的有效手段[2]。新能源外送工程中的送端系統(tǒng)與主網(wǎng)的電氣距離一般較遠(yuǎn)，且同步電源容量有限。因此，新能源匯集地區(qū)的電網(wǎng)強(qiáng)度一般較弱[3]。

　　這些地區(qū)出現(xiàn)短路或直流故障時(shí)，易出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}[4]，造成風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)[5]。針對(duì)新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}的相關(guān)研究可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是分析過(guò)電壓產(chǎn)生原因。例如，文獻(xiàn)[6]分析直流故障導(dǎo)致暫態(tài)電壓升高的原因在于：直流運(yùn)行時(shí)，換流器消耗無(wú)功為額定容量的40%~60%，直流故障時(shí)，換流器消耗無(wú)功急劇減少，短時(shí)內(nèi)站內(nèi)補(bǔ)償無(wú)功不變，造成過(guò)剩無(wú)功引起交流電壓升高。文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)典型直流送端有風(fēng)火接入時(shí)的等效電路數(shù)學(xué)模型，指出單極閉鎖場(chǎng)景下，無(wú)功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的過(guò)剩無(wú)功功率約為其全部投入容量的一半。

　　文獻(xiàn)[8]指出直流閉鎖或者降功率導(dǎo)致的過(guò)剩無(wú)功倒送，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流母線(xiàn)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，電壓抬升幅值可超過(guò)20%，抬升持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)200~600ms，雙極閉鎖時(shí)電壓抬升幅度是單極閉鎖的約兩倍。文獻(xiàn)[9]指出換相失敗期間送端的交流電壓呈現(xiàn)先降后升的過(guò)程，暫態(tài)電壓升高出現(xiàn)在換相失敗恢復(fù)期。

　　文獻(xiàn)[10]對(duì)2011年2月酒泉風(fēng)電基地短路故障后風(fēng)電高壓脫網(wǎng)事故發(fā)展原因進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置主要是固定電容補(bǔ)償器和機(jī)械投切電容器，缺乏快速調(diào)整能力，短路故障清除后，系統(tǒng)電壓回升，而電容器組仍?huà)炀W(wǎng)運(yùn)行，引起暫態(tài)過(guò)電壓。文獻(xiàn)[11]對(duì)2011年酒泉風(fēng)電高電壓脫網(wǎng)事故頻發(fā)的原因進(jìn)行梳理總結(jié)，指出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電纜頭安裝質(zhì)量問(wèn)題突出，是造成事故的導(dǎo)火索;風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備無(wú)法正常投運(yùn)感性支路，是造成暫態(tài)過(guò)電壓的重要原因。

　　文獻(xiàn)[12]在文獻(xiàn)[10-11]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出，短路故障清除后風(fēng)電高電壓脫網(wǎng)的原因除了無(wú)功補(bǔ)償裝置外，風(fēng)電自身的動(dòng)態(tài)無(wú)功控制響應(yīng)滯后或控制超調(diào)，也可能造成網(wǎng)側(cè)電壓驟升。文獻(xiàn)[13]分析了投切電容器導(dǎo)致風(fēng)電高電壓脫網(wǎng)的原因，文章指出，若系統(tǒng)中靜止無(wú)功補(bǔ)償器采用控制感性支路的恒無(wú)功運(yùn)行方式，即使系統(tǒng)外送有功遠(yuǎn)低于靜穩(wěn)極限且未出現(xiàn)無(wú)功過(guò)補(bǔ)償，投入電容器也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓驟升。第二類(lèi)現(xiàn)有研究是分析過(guò)電壓應(yīng)對(duì)策略。

　　例如，文獻(xiàn)[9]針對(duì)特高壓直流送端的風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓脫網(wǎng)問(wèn)題，提出以下四點(diǎn)建議：①加強(qiáng)網(wǎng)架和同步機(jī)組建設(shè);②合理規(guī)劃風(fēng)電接入方式(盡量避免風(fēng)電匯集線(xiàn)直接接入換流站);③提高直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組耐壓能力;④合理控制直流輸送功率。文獻(xiàn)[13-16]針對(duì)風(fēng)機(jī)各控制環(huán)節(jié)提出電壓穿越策略，主要包括：①改變發(fā)電機(jī)控制以限制故障過(guò)程中的電磁功率輸出;②改變槳距角控制減少風(fēng)能捕獲;③改變機(jī)側(cè)變流器控制使故障期間風(fēng)機(jī)的功率波動(dòng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子承擔(dān);④提出網(wǎng)側(cè)變流器與Crowbar或Chopper的協(xié)調(diào)控制策略，以實(shí)現(xiàn)故障過(guò)程中的直流電壓抑制，保護(hù)開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)故障穿越。上述關(guān)于過(guò)電壓產(chǎn)生原因和應(yīng)對(duì)策略?xún)蓚�(gè)層面的研究已比較廣泛，但對(duì)于弱電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓特性的研究還存在以下兩方面挑戰(zhàn)：

　　1)現(xiàn)有針對(duì)直流換相失敗/閉鎖導(dǎo)致的過(guò)電壓相關(guān)研究，重點(diǎn)關(guān)注直流換流站無(wú)功補(bǔ)償裝置在故障過(guò)程過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題，針對(duì)交流側(cè)短路故障導(dǎo)致的過(guò)電壓研究，重點(diǎn)關(guān)注無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置響應(yīng)速度以及控制策略問(wèn)題。但當(dāng)風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的強(qiáng)度較弱時(shí)，故障過(guò)程中的風(fēng)機(jī)功率特性對(duì)其網(wǎng)側(cè)電壓影響較大，對(duì)弱電網(wǎng)條件下的風(fēng)機(jī)故障過(guò)程功率特性分析，是研究風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}的關(guān)鍵之一。

　　2)受限于試驗(yàn)條件，一般針對(duì)風(fēng)機(jī)的電壓穿越測(cè)試(如型式試驗(yàn))在箱變高壓側(cè)進(jìn)行短路故障設(shè)置[17]，較難反映弱電網(wǎng)遠(yuǎn)端故障時(shí)的風(fēng)機(jī)功率特性[18]，且故障清除時(shí)刻的風(fēng)機(jī)功率特性常被忽略[19]，而風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象多發(fā)生在弱電網(wǎng)遠(yuǎn)端故障條件下的故障清除時(shí)刻。對(duì)弱電網(wǎng)中發(fā)生送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端故障的PMSG電壓穿越特性研究較少。本文針對(duì)弱電網(wǎng)接入條件下的PMSG故障穿越特性進(jìn)行分析，對(duì)送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端短路故障及恢復(fù)過(guò)程中PMSG機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓特性進(jìn)行研究。

　　主要貢獻(xiàn)如下：1)基于典型低穿策略建立具備故障穿越特性的PMSG模型，分析強(qiáng)/弱電網(wǎng)中PMSG低穿特性的差別，并解釋產(chǎn)生差別的原因。2)研究接入弱電網(wǎng)條件下，PMSG控制策略與參數(shù)對(duì)短路故障過(guò)程機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓水平的影響，提出PMSG故障穿越策略/參數(shù)的相關(guān)建議。

　　2PMSG接入強(qiáng)/弱電網(wǎng)的低電壓故障過(guò)程功率特性分析

　　本文研究PMSG并網(wǎng)系統(tǒng)，PMSG經(jīng)變流器濾波阻抗(Ri+jXi)，箱變(電抗為jXT)，線(xiàn)路(電抗為jXL)接入大電網(wǎng)(短路阻抗為jXS)。其中機(jī)側(cè)變流器控制以及Chopper控制結(jié)構(gòu)均采用典型方式，可參考文獻(xiàn)[21]，限于篇幅不在此贅述。其中KpPLL和KiPLL為PLL的PI參數(shù)，ωg為工頻50Hz角速度，θPLL為鎖相環(huán)鎖得相位，Vq為根據(jù)θPLL計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)電壓V的q軸分量。

　　id和iq為風(fēng)機(jī)輸出電流的dq軸分量，idref和iqref為風(fēng)機(jī)外環(huán)控制給出的id和iq的參考值，R和L為風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)濾波電抗器等效阻抗，Kpg和Kig為內(nèi)環(huán)控制PI參數(shù)，Vd和Vq為V的dq軸分量，Vdref和Vqref為內(nèi)環(huán)控制輸出指令。虛框①為定直流電壓控制[21]，Vdc為直驅(qū)風(fēng)機(jī)直流電壓，Vdcref為Vdc指令值，Kpdc和Kidc為直流電壓控制PI參數(shù)。

　　虛框②為低穿結(jié)束后風(fēng)機(jī)有功電流按指定斜率恢復(fù)的控制邏輯，iLVRTstart為進(jìn)入低穿時(shí)刻風(fēng)機(jī)電流。當(dāng)id≤iLVRTstart時(shí)，按照斜率限幅指定的斜率給出不斷增大的id指令值。虛框③為低穿過(guò)程中風(fēng)機(jī)維持有功電流不變的控制。idselect為風(fēng)機(jī)有功外環(huán)選擇值，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，選擇①的輸出作為idselect。在低穿過(guò)程中，若風(fēng)機(jī)采用維持有功功率不變的策略，則選擇①的輸出作為idselect，若風(fēng)機(jī)采用維持電流不變的策略，則選擇②的輸出作為idselect。在電壓恢復(fù)但有功未恢復(fù)至低穿前水平時(shí)，選擇③的輸出作為idselect。

　　3PMSG低電壓故障過(guò)程功率特性及其網(wǎng)側(cè)電壓的影響理論分析

　　3.1PMSG低電壓故障過(guò)程的穩(wěn)態(tài)功率源特性PMSG通過(guò)全功率變流器與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)解耦，在低電壓故障情況下，采用適當(dāng)?shù)腃hopper電路，可保證直流側(cè)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

　　4PMSG低電壓故障過(guò)程功率特性及其網(wǎng)側(cè)電壓的影響仿真分析

　　建立Simulink模型進(jìn)行仿真，分析弱電網(wǎng)中的PMSG低穿控制策略與參數(shù)對(duì)PMSG低電壓故障過(guò)程功率特性的影響，并分析功率特性對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓的影響。

　　4.1低穿過(guò)程有功控制策略的影響

　　PMSG在低穿過(guò)程中可采用維持功率不變(定直流電壓)或者維持電流不變(定有功電流控制，電流指令值為iLVRTstart)的策略，仿真分析兩種策略下的風(fēng)機(jī)低穿過(guò)程功率特性及網(wǎng)側(cè)電壓，仿真工況為：100臺(tái)2MW風(fēng)機(jī)接入弱電網(wǎng)(XT=0.05p.u.XL=0.3p.u.XS=0.05p.u.)，3s時(shí)送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端三相短路故障持續(xù)0.1s。

　　相對(duì)于維持功率不變的策略，采用維持電流不變的策略時(shí)，故障退出后(3.1s后)有功超發(fā)明顯，且抖動(dòng)劇烈。這是因?yàn)�，在故障退出時(shí)刻，電壓從0.4p.u.恢復(fù)至0.9p.u.的過(guò)程中(大約持續(xù)0.02s)，“電流不變”策略命令idref一直保持在較高水平，導(dǎo)致有功超發(fā)，直流電壓迅速下降，使得后續(xù)切換回常規(guī)的定直流電壓控制后，需減少網(wǎng)側(cè)變流器輸出的電磁功率以使直流電壓恢復(fù)，導(dǎo)致暫態(tài)過(guò)程長(zhǎng)，有功抖動(dòng)劇烈。

　　而“有功不變”策略在電壓從0.4p.u.恢復(fù)至0.9p.u.的過(guò)程中會(huì)控制有功不變，隨著電壓的恢復(fù)，將命令idref逐漸減小，可緩解有功超發(fā)和直流電壓迅速下降的問(wèn)題。風(fēng)機(jī)在低穿期間采用不同有功控制策略時(shí)，有功偏差在3.14s時(shí)刻最顯著，“電流不變”策略下風(fēng)機(jī)輸出有功為70MW，“有功不變”策略下為150MW，以機(jī)組額定容量為基值計(jì)算，3.14s時(shí)刻有功偏差約36%。低穿期間采用的不同有功控制策略下，無(wú)功和網(wǎng)側(cè)電壓在3.14s時(shí)刻偏差最顯著，無(wú)功偏差約25MVar(占額定容量11%)，電壓偏差約0.07p.u.。

　　5結(jié)論

　　本文針對(duì)弱電網(wǎng)接入條件下的PMSG故障穿越特性進(jìn)行分析，對(duì)送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端短路故障及恢復(fù)過(guò)程中PMSG機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓特性進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：1)PMSG接入弱電網(wǎng)時(shí)，送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端短路發(fā)生和清除時(shí)刻，PMSG網(wǎng)側(cè)電壓的相位跳變幅度較大，在PLL鎖相未跟蹤上實(shí)際相位的過(guò)程中，PMSG有功和無(wú)功控制存在耦合，有功/無(wú)功電流控制存在誤差，這種誤差會(huì)抑制電壓的突增或突降。

　　弱電論文范例：智能化建筑弱電工程的實(shí)施

　　2)遠(yuǎn)端短路故障清除時(shí)刻PMSG相位一般向后跳變，可能導(dǎo)致PLL鎖相結(jié)果超前于實(shí)際相位，進(jìn)而使得PMSG無(wú)功電流控制結(jié)果小于指令值，有功電流耦合產(chǎn)生容性無(wú)功，造成無(wú)功快速收回甚至吸無(wú)功現(xiàn)象，進(jìn)而抑制PMSG機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓幅度。故障清除過(guò)程(PLL鎖相超前實(shí)際相位過(guò)程)有功電流越大，則無(wú)功撤回速度越快。同時(shí)感性無(wú)功電流耦合產(chǎn)生負(fù)有功，因此無(wú)功電流越大，則有功恢復(fù)速度越慢。

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　　作者：孫大衛(wèi)，吳林林，劉輝，宋鵬，李蘊(yùn)紅，王瀟，劉京波

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