弱电网直驱风机低电压穿越特性及其对机端暂态电压的影响

　　摘要：新能源常通过特高压交/直流输电系统送出，新能源汇集送端电网配套火电机组少，电网强度弱，直流闭锁或交流严重短路故障后的暂态过电压易引发风电脱网。本文基于典型电压穿越策略建立永磁直驱风机(Mutil-polepermanentmagnetsynchronousgeneratorbasedwindgenerator,PMSG)并网模型，研究弱电网中送出线路远端短路故障时的PMSG功率特性，揭示故障发生与清除时刻PMSG控制产生误差的原因，分析PMSG控制策略与参数对机组功率特性以及机端暂态过电压特性的影响。研究结果表明，远端短路故障清除时刻PMSG网侧电压相位一般向后跳变，由于锁相环存在时延，使暂态过程中锁相结果超前于实际相位，导致PMSG有功/无功控制不解耦，电流控制产生误差，由于锁相结果超前实际相位产生的控制误差会抑制网侧电压的快速抬升。

　　关键词：直驱风机;弱交流电网;暂态过电压;低电压穿越;锁相环

　　1引言

　　中国华北、东北、西北等区域的风资源丰富[1]，经特高压交/直流系统跨区域外送是消纳这些区域新能源的有效手段[2]。新能源外送工程中的送端系统与主网的电气距离一般较远，且同步电源容量有限。因此，新能源汇集地区的电网强度一般较弱[3]。

　　这些地区出现短路或直流故障时，易出现暂态过电压问题[4]，造成风机大规模脱网[5]。针对新能源汇集地区暂态过电压问题的相关研究可分为两类：第一类是分析过电压产生原因。例如，文献[6]分析直流故障导致暂态电压升高的原因在于：直流运行时，换流器消耗无功为额定容量的40%~60%，直流故障时，换流器消耗无功急剧减少，短时内站内补偿无功不变，造成过剩无功引起交流电压升高。文献[7]推导典型直流送端有风火接入时的等效电路数学模型，指出单极闭锁场景下，无功补偿装置产生的过剩无功功率约为其全部投入容量的一半。

　　文献[8]指出直流闭锁或者降功率导致的过剩无功倒送，会导致换流母线出现暂态过电压，电压抬升幅值可超过20%，抬升持续时间一般不超过200~600ms，双极闭锁时电压抬升幅度是单极闭锁的约两倍。文献[9]指出换相失败期间送端的交流电压呈现先降后升的过程，暂态电压升高出现在换相失败恢复期。

　　文献[10]对2011年2月酒泉风电基地短路故障后风电高压脱网事故发展原因进行分析，指出系统中无功补偿装置主要是固定电容补偿器和机械投切电容器，缺乏快速调整能力，短路故障清除后，系统电压回升，而电容器组仍挂网运行，引起暂态过电压。文献[11]对2011年酒泉风电高电压脱网事故频发的原因进行梳理总结，指出风电场内电缆头安装质量问题突出，是造成事故的导火索;风电场动态无功补偿设备无法正常投运感性支路，是造成暂态过电压的重要原因。

　　文献[12]在文献[10-11]的基础上进一步指出，短路故障清除后风电高电压脱网的原因除了无功补偿装置外，风电自身的动态无功控制响应滞后或控制超调，也可能造成网侧电压骤升。文献[13]分析了投切电容器导致风电高电压脱网的原因，文章指出，若系统中静止无功补偿器采用控制感性支路的恒无功运行方式，即使系统外送有功远低于静稳极限且未出现无功过补偿，投入电容器也可能导致系统的电压骤升。第二类现有研究是分析过电压应对策略。

　　例如，文献[9]针对特高压直流送端的风机暂态过电压脱网问题，提出以下四点建议：①加强网架和同步机组建设;②合理规划风电接入方式(尽量避免风电汇集线直接接入换流站);③提高直流近区风电机组耐压能力;④合理控制直流输送功率。文献[13-16]针对风机各控制环节提出电压穿越策略，主要包括：①改变发电机控制以限制故障过程中的电磁功率输出;②改变桨距角控制减少风能捕获;③改变机侧变流器控制使故障期间风机的功率波动由发电机转子承担;④提出网侧变流器与Crowbar或Chopper的协调控制策略，以实现故障过程中的直流电压抑制，保护开关器件，实现故障穿越。上述关于过电压产生原因和应对策略两个层面的研究已比较广泛，但对于弱电网中风机机端暂态过电压特性的研究还存在以下两方面挑战：

　　1)现有针对直流换相失败/闭锁导致的过电压相关研究，重点关注直流换流站无功补偿装置在故障过程过补偿问题，针对交流侧短路故障导致的过电压研究，重点关注无功补偿设置响应速度以及控制策略问题。但当风机接入电网的强度较弱时，故障过程中的风机功率特性对其网侧电压影响较大，对弱电网条件下的风机故障过程功率特性分析，是研究风机机端暂态过电压问题的关键之一。

　　2)受限于试验条件，一般针对风机的电压穿越测试(如型式试验)在箱变高压侧进行短路故障设置[17]，较难反映弱电网远端故障时的风机功率特性[18]，且故障清除时刻的风机功率特性常被忽略[19]，而风机机端暂态过电压现象多发生在弱电网远端故障条件下的故障清除时刻。对弱电网中发生送出线路远端故障的PMSG电压穿越特性研究较少。本文针对弱电网接入条件下的PMSG故障穿越特性进行分析，对送出线路远端短路故障及恢复过程中PMSG机端暂态过电压特性进行研究。

　　主要贡献如下：1)基于典型低穿策略建立具备故障穿越特性的PMSG模型，分析强/弱电网中PMSG低穿特性的差别，并解释产生差别的原因。2)研究接入弱电网条件下，PMSG控制策略与参数对短路故障过程机端暂态过电压水平的影响，提出PMSG故障穿越策略/参数的相关建议。

　　2PMSG接入强/弱电网的低电压故障过程功率特性分析

　　本文研究PMSG并网系统，PMSG经变流器滤波阻抗(Ri+jXi)，箱变(电抗为jXT)，线路(电抗为jXL)接入大电网(短路阻抗为jXS)。其中机侧变流器控制以及Chopper控制结构均采用典型方式，可参考文献[21]，限于篇幅不在此赘述。其中KpPLL和KiPLL为PLL的PI参数，ωg为工频50Hz角速度，θPLL为锁相环锁得相位，Vq为根据θPLL计算得到的风机网侧电压V的q轴分量。

　　id和iq为风机输出电流的dq轴分量，idref和iqref为风机外环控制给出的id和iq的参考值，R和L为风机网侧滤波电抗器等效阻抗，Kpg和Kig为内环控制PI参数，Vd和Vq为V的dq轴分量，Vdref和Vqref为内环控制输出指令。虚框①为定直流电压控制[21]，Vdc为直驱风机直流电压，Vdcref为Vdc指令值，Kpdc和Kidc为直流电压控制PI参数。

　　虚框②为低穿结束后风机有功电流按指定斜率恢复的控制逻辑，iLVRTstart为进入低穿时刻风机电流。当id≤iLVRTstart时，按照斜率限幅指定的斜率给出不断增大的id指令值。虚框③为低穿过程中风机维持有功电流不变的控制。idselect为风机有功外环选择值，风机正常运行时，选择①的输出作为idselect。在低穿过程中，若风机采用维持有功功率不变的策略，则选择①的输出作为idselect，若风机采用维持电流不变的策略，则选择②的输出作为idselect。在电压恢复但有功未恢复至低穿前水平时，选择③的输出作为idselect。

　　3PMSG低电压故障过程功率特性及其网侧电压的影响理论分析

　　3.1PMSG低电压故障过程的稳态功率源特性PMSG通过全功率变流器与电网实现解耦，在低电压故障情况下，采用适当的Chopper电路，可保证直流侧电压在正常运行范围内。

　　4PMSG低电压故障过程功率特性及其网侧电压的影响仿真分析

　　建立Simulink模型进行仿真，分析弱电网中的PMSG低穿控制策略与参数对PMSG低电压故障过程功率特性的影响，并分析功率特性对网侧电压的影响。

　　4.1低穿过程有功控制策略的影响

　　PMSG在低穿过程中可采用维持功率不变(定直流电压)或者维持电流不变(定有功电流控制，电流指令值为iLVRTstart)的策略，仿真分析两种策略下的风机低穿过程功率特性及网侧电压，仿真工况为：100台2MW风机接入弱电网(XT=0.05p.u.XL=0.3p.u.XS=0.05p.u.)，3s时送出线路远端三相短路故障持续0.1s。

　　相对于维持功率不变的策略，采用维持电流不变的策略时，故障退出后(3.1s后)有功超发明显，且抖动剧烈。这是因为，在故障退出时刻，电压从0.4p.u.恢复至0.9p.u.的过程中(大约持续0.02s)，“电流不变”策略命令idref一直保持在较高水平，导致有功超发，直流电压迅速下降，使得后续切换回常规的定直流电压控制后，需减少网侧变流器输出的电磁功率以使直流电压恢复，导致暂态过程长，有功抖动剧烈。

　　而“有功不变”策略在电压从0.4p.u.恢复至0.9p.u.的过程中会控制有功不变，随着电压的恢复，将命令idref逐渐减小，可缓解有功超发和直流电压迅速下降的问题。风机在低穿期间采用不同有功控制策略时，有功偏差在3.14s时刻最显著，“电流不变”策略下风机输出有功为70MW，“有功不变”策略下为150MW，以机组额定容量为基值计算，3.14s时刻有功偏差约36%。低穿期间采用的不同有功控制策略下，无功和网侧电压在3.14s时刻偏差最显著，无功偏差约25MVar(占额定容量11%)，电压偏差约0.07p.u.。

　　5结论

　　本文针对弱电网接入条件下的PMSG故障穿越特性进行分析，对送出线路远端短路故障及恢复过程中PMSG机端暂态过电压特性进行研究。主要结论如下：1)PMSG接入弱电网时，送出线路远端短路发生和清除时刻，PMSG网侧电压的相位跳变幅度较大，在PLL锁相未跟踪上实际相位的过程中，PMSG有功和无功控制存在耦合，有功/无功电流控制存在误差，这种误差会抑制电压的突增或突降。

　　弱电论文范例：智能化建筑弱电工程的实施

　　2)远端短路故障清除时刻PMSG相位一般向后跳变，可能导致PLL锁相结果超前于实际相位，进而使得PMSG无功电流控制结果小于指令值，有功电流耦合产生容性无功，造成无功快速收回甚至吸无功现象，进而抑制PMSG机端暂态过电压幅度。故障清除过程(PLL锁相超前实际相位过程)有功电流越大，则无功撤回速度越快。同时感性无功电流耦合产生负有功，因此无功电流越大，则有功恢复速度越慢。

　　参考文献

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　　[4]KawabeK,TanakaK.Impactofdynamicbehaviorofphotovoltaicpowergenerationsystemsonshort-termvoltagestability[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2015,30(6)：3416-3424.

　　作者：孙大卫，吴林林，刘辉，宋鹏，李蕴红，王潇，刘京波

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