弱電網直驅風機低電壓穿越特性及其對機端暫態電壓的影響

　　摘要：新能源常通過特高壓交/直流輸電系統送出，新能源匯集送端電網配套火電機組少，電網強度弱，直流閉鎖或交流嚴重短路故障后的暫態過電壓易引發風電脫網。本文基于典型電壓穿越策略建立永磁直驅風機(Mutil-polepermanentmagnetsynchronousgeneratorbasedwindgenerator,PMSG)并網模型，研究弱電網中送出線路遠端短路故障時的PMSG功率特性，揭示故障發生與清除時刻PMSG控制產生誤差的原因，分析PMSG控制策略與參數對機組功率特性以及機端暫態過電壓特性的影響。研究結果表明，遠端短路故障清除時刻PMSG網側電壓相位一般向后跳變，由于鎖相環存在時延，使暫態過程中鎖相結果超前于實際相位，導致PMSG有功/無功控制不解耦，電流控制產生誤差，由于鎖相結果超前實際相位產生的控制誤差會抑制網側電壓的快速抬升。

　　關鍵詞：直驅風機;弱交流電網;暫態過電壓;低電壓穿越;鎖相環

　　1引言

　　中國華北、東北、西北等區域的風資源豐富[1]，經特高壓交/直流系統跨區域外送是消納這些區域新能源的有效手段[2]。新能源外送工程中的送端系統與主網的電氣距離一般較遠，且同步電源容量有限。因此，新能源匯集地區的電網強度一般較弱[3]。

　　這些地區出現短路或直流故障時，易出現暫態過電壓問題[4]，造成風機大規模脫網[5]。針對新能源匯集地區暫態過電壓問題的相關研究可分為兩類：第一類是分析過電壓產生原因。例如，文獻[6]分析直流故障導致暫態電壓升高的原因在于：直流運行時，換流器消耗無功為額定容量的40%~60%，直流故障時，換流器消耗無功急劇減少，短時內站內補償無功不變，造成過剩無功引起交流電壓升高。文獻[7]推導典型直流送端有風火接入時的等效電路數學模型，指出單極閉鎖場景下，無功補償裝置產生的過剩無功功率約為其全部投入容量的一半。

　　文獻[8]指出直流閉鎖或者降功率導致的過剩無功倒送，會導致換流母線出現暫態過電壓，電壓抬升幅值可超過20%，抬升持續時間一般不超過200~600ms，雙極閉鎖時電壓抬升幅度是單極閉鎖的約兩倍。文獻[9]指出換相失敗期間送端的交流電壓呈現先降后升的過程，暫態電壓升高出現在換相失敗恢復期。

　　文獻[10]對2011年2月酒泉風電基地短路故障后風電高壓脫網事故發展原因進行分析，指出系統中無功補償裝置主要是固定電容補償器和機械投切電容器，缺乏快速調整能力，短路故障清除后，系統電壓回升，而電容器組仍掛網運行，引起暫態過電壓。文獻[11]對2011年酒泉風電高電壓脫網事故頻發的原因進行梳理總結，指出風電場內電纜頭安裝質量問題突出，是造成事故的導火索;風電場動態無功補償設備無法正常投運感性支路，是造成暫態過電壓的重要原因。

　　文獻[12]在文獻[10-11]的基礎上進一步指出，短路故障清除后風電高電壓脫網的原因除了無功補償裝置外，風電自身的動態無功控制響應滯后或控制超調，也可能造成網側電壓驟升。文獻[13]分析了投切電容器導致風電高電壓脫網的原因，文章指出，若系統中靜止無功補償器采用控制感性支路的恒無功運行方式，即使系統外送有功遠低于靜穩極限且未出現無功過補償，投入電容器也可能導致系統的電壓驟升。第二類現有研究是分析過電壓應對策略。

　　例如，文獻[9]針對特高壓直流送端的風機暫態過電壓脫網問題，提出以下四點建議：①加強網架和同步機組建設;②合理規劃風電接入方式(盡量避免風電匯集線直接接入換流站);③提高直流近區風電機組耐壓能力;④合理控制直流輸送功率。文獻[13-16]針對風機各控制環節提出電壓穿越策略，主要包括：①改變發電機控制以限制故障過程中的電磁功率輸出;②改變槳距角控制減少風能捕獲;③改變機側變流器控制使故障期間風機的功率波動由發電機轉子承擔;④提出網側變流器與Crowbar或Chopper的協調控制策略，以實現故障過程中的直流電壓抑制，保護開關器件，實現故障穿越。上述關于過電壓產生原因和應對策略兩個層面的研究已比較廣泛，但對于弱電網中風機機端暫態過電壓特性的研究還存在以下兩方面挑戰：

　　1)現有針對直流換相失敗/閉鎖導致的過電壓相關研究，重點關注直流換流站無功補償裝置在故障過程過補償問題，針對交流側短路故障導致的過電壓研究，重點關注無功補償設置響應速度以及控制策略問題。但當風機接入電網的強度較弱時，故障過程中的風機功率特性對其網側電壓影響較大，對弱電網條件下的風機故障過程功率特性分析，是研究風機機端暫態過電壓問題的關鍵之一。

　　2)受限于試驗條件，一般針對風機的電壓穿越測試(如型式試驗)在箱變高壓側進行短路故障設置[17]，較難反映弱電網遠端故障時的風機功率特性[18]，且故障清除時刻的風機功率特性常被忽略[19]，而風機機端暫態過電壓現象多發生在弱電網遠端故障條件下的故障清除時刻。對弱電網中發生送出線路遠端故障的PMSG電壓穿越特性研究較少。本文針對弱電網接入條件下的PMSG故障穿越特性進行分析，對送出線路遠端短路故障及恢復過程中PMSG機端暫態過電壓特性進行研究。

　　主要貢獻如下：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/弱電網中PMSG低穿特性的差別，并解釋產生差別的原因。2)研究接入弱電網條件下，PMSG控制策略與參數對短路故障過程機端暫態過電壓水平的影響，提出PMSG故障穿越策略/參數的相關建議。

　　2PMSG接入強/弱電網的低電壓故障過程功率特性分析

　　本文研究PMSG并網系統，PMSG經變流器濾波阻抗(Ri+jXi)，箱變(電抗為jXT)，線路(電抗為jXL)接入大電網(短路阻抗為jXS)。其中機側變流器控制以及Chopper控制結構均采用典型方式，可參考文獻[21]，限于篇幅不在此贅述。其中KpPLL和KiPLL為PLL的PI參數，ωg為工頻50Hz角速度，θPLL為鎖相環鎖得相位，Vq為根據θPLL計算得到的風機網側電壓V的q軸分量。

　　id和iq為風機輸出電流的dq軸分量，idref和iqref為風機外環控制給出的id和iq的參考值，R和L為風機網側濾波電抗器等效阻抗，Kpg和Kig為內環控制PI參數，Vd和Vq為V的dq軸分量，Vdref和Vqref為內環控制輸出指令。虛框①為定直流電壓控制[21]，Vdc為直驅風機直流電壓，Vdcref為Vdc指令值，Kpdc和Kidc為直流電壓控制PI參數。

　　虛框②為低穿結束后風機有功電流按指定斜率恢復的控制邏輯，iLVRTstart為進入低穿時刻風機電流。當id≤iLVRTstart時，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為低穿過程中風機維持有功電流不變的控制。idselect為風機有功外環選擇值，風機正常運行時，選擇①的輸出作為idselect。在低穿過程中，若風機采用維持有功功率不變的策略，則選擇①的輸出作為idselect，若風機采用維持電流不變的策略，則選擇②的輸出作為idselect。在電壓恢復但有功未恢復至低穿前水平時，選擇③的輸出作為idselect。

　　3PMSG低電壓故障過程功率特性及其網側電壓的影響理論分析

　　3.1PMSG低電壓故障過程的穩態功率源特性PMSG通過全功率變流器與電網實現解耦，在低電壓故障情況下，采用適當的Chopper電路，可保證直流側電壓在正常運行范圍內。

　　4PMSG低電壓故障過程功率特性及其網側電壓的影響仿真分析

　　建立Simulink模型進行仿真，分析弱電網中的PMSG低穿控制策略與參數對PMSG低電壓故障過程功率特性的影響，并分析功率特性對網側電壓的影響。

　　4.1低穿過程有功控制策略的影響

　　PMSG在低穿過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機低穿過程功率特性及網側電壓，仿真工況為：100臺2MW風機接入弱電網(XT=0.05p.u.XL=0.3p.u.XS=0.05p.u.)，3s時送出線路遠端三相短路故障持續0.1s。

　　相對于維持功率不變的策略，采用維持電流不變的策略時，故障退出后(3.1s后)有功超發明顯，且抖動劇烈。這是因為，在故障退出時刻，電壓從0.4p.u.恢復至0.9p.u.的過程中(大約持續0.02s)，“電流不變”策略命令idref一直保持在較高水平，導致有功超發，直流電壓迅速下降，使得后續切換回常規的定直流電壓控制后，需減少網側變流器輸出的電磁功率以使直流電壓恢復，導致暫態過程長，有功抖動劇烈。

　　而“有功不變”策略在電壓從0.4p.u.恢復至0.9p.u.的過程中會控制有功不變，隨著電壓的恢復，將命令idref逐漸減小，可緩解有功超發和直流電壓迅速下降的問題。風機在低穿期間采用不同有功控制策略時，有功偏差在3.14s時刻最顯著，“電流不變”策略下風機輸出有功為70MW，“有功不變”策略下為150MW，以機組額定容量為基值計算，3.14s時刻有功偏差約36%。低穿期間采用的不同有功控制策略下，無功和網側電壓在3.14s時刻偏差最顯著，無功偏差約25MVar(占額定容量11%)，電壓偏差約0.07p.u.。

　　5結論

　　本文針對弱電網接入條件下的PMSG故障穿越特性進行分析，對送出線路遠端短路故障及恢復過程中PMSG機端暫態過電壓特性進行研究。主要結論如下：1)PMSG接入弱電網時，送出線路遠端短路發生和清除時刻，PMSG網側電壓的相位跳變幅度較大，在PLL鎖相未跟蹤上實際相位的過程中，PMSG有功和無功控制存在耦合，有功/無功電流控制存在誤差，這種誤差會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施

　　2)遠端短路故障清除時刻PMSG相位一般向后跳變，可能導致PLL鎖相結果超前于實際相位，進而使得PMSG無功電流控制結果小于指令值，有功電流耦合產生容性無功，造成無功快速收回甚至吸無功現象，進而抑制PMSG機端暫態過電壓幅度。故障清除過程(PLL鎖相超前實際相位過程)有功電流越大，則無功撤回速度越快。同時感性無功電流耦合產生負有功，因此無功電流越大，則有功恢復速度越慢。

　　參考文獻

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　　作者：孫大衛，吳林林，劉輝，宋鵬，李蘊紅，王瀟，劉京波

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