基于永磁直驅(qū)風機的并網(wǎng)及高低穿控制

背景簡介

隨著國家30·60目標的提出，新能源發(fā)展越來越受到重視，就當前而言，風力發(fā)電和光伏發(fā)電仍然是占比最終的兩種能源形勢。

其中風力發(fā)電更是格外矚目，隨著海上風電的大力發(fā)展，風機的單機容量也是在不斷提高。

風機并網(wǎng)控制及風機高低電壓穿越能力是風機在電網(wǎng)故障時一種必要應對手段，也十分重要，本文旨在搭建基于永磁直驅(qū)風機的并網(wǎng)及高低穿控制，與大家一起探討學習，并希望給起到拋磚引玉的作用。

關于直驅(qū)風機的并網(wǎng)及控制之前我們已經(jīng)有過介紹（直驅(qū)永磁同步風機并網(wǎng)仿真（一）、直驅(qū)永磁同步風機并網(wǎng)仿真（二）），內(nèi)容主要是基于穩(wěn)態(tài)控制，并不涉及高低穿期間的控制切換，本次根據(jù)個人的理解，加入相關的控制。

圖1 風機并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)及高低穿控制

風機并網(wǎng)控制分為網(wǎng)側(cè)控制和機側(cè)控制，機網(wǎng)側(cè)控制方式與直驅(qū)永磁同步風機并網(wǎng)仿真（二）所搭建的控制方式一致，本次不再進行贅述，主要對高低穿期間的控制進行說明。

由于直驅(qū)風機拓撲機側(cè)和電網(wǎng)之間通過背靠背換流器完全隔離，因此，總的來說，電網(wǎng)故障期間，機側(cè)控制可以不需要任何，只需對網(wǎng)側(cè)控制進行相應的切換即可，鑒于此，故障期間，機側(cè)功率不變，網(wǎng)側(cè)吸收功率減小，造成換流器兩側(cè)功率不平衡，直流電壓會有抬升，為使直流側(cè)不過壓，直流側(cè)加入耗能裝置是一種常規(guī)手段。 按照GBT19963標準的相關要求，當電壓跌落或電壓抬升時，有無功電流按照如下分段函數(shù)公式進行計算：

其中，Ut為風電場并網(wǎng)點電壓標幺值，In為風電場額定電流。低穿期間有功電流可以根據(jù)Id=sqrt(1.1In-Iq^2)進行計算，由于高穿期間交流側(cè)電壓抬升，如果此時Id仍然按照此方法計算，會發(fā)現(xiàn)計算出的Id數(shù)值偏大，由于交流電壓本身已經(jīng)抬升了，會出現(xiàn)要求的功率比風機功率還大的情況，不甚合理，本文按照，高穿期間，一律保持風機按額定功率輸出來計算Id。

當然，上述控制僅限于個人理解而言，實際情況不同廠家可能略有不同，正所謂：一千個讀者眼中會有一千個哈姆雷特。本文模型控制通過判別風機并網(wǎng)點電壓，進行網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)雙臂還控制和直接電流給定控制之間的切換。

同理，直流側(cè)耗能結(jié)構(gòu)也使各有差異，比較簡便的方式是通過開關器件投切電阻的方式，結(jié)構(gòu)如下圖所示，本文采用的就是此種方式。

圖2 耗能電路拓撲結(jié)構(gòu)

仿真模型

根據(jù)上述描述，搭建風機并網(wǎng)模型如下圖所示，其中風機額定功率3MVA，直流側(cè)電壓1200V，風機出口電壓690V，并分別通過0.69/35kV及35/220kV兩級升壓，接入220kV交流電網(wǎng)。

圖3整體仿真模型

控制部分模型如下，無論穩(wěn)態(tài)還是高低穿器件，機側(cè)控制不發(fā)生變化，網(wǎng)側(cè)控制根據(jù)電壓情況進行切換。

圖4網(wǎng)側(cè)控制部分

圖5機側(cè)控制部分

直流側(cè)控制采用滯環(huán)控制，當電壓大于一定值時，開關導通，投入電阻，小于某一值時，開關斷開。

圖6 直流耗能控制

仿真結(jié)果

（1）運行模型，使其額定運行，仿真結(jié)果如下：

圖7 35kV側(cè)電壓、電流、功率波形

圖8 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖9 直流側(cè)電壓波形

（2）低電壓穿越測試，按照標準要求，分別進行電壓:20%跌落，持續(xù)0.625s；電壓35%跌落，持續(xù)0.92s；50%跌落，持續(xù)1.214s；電壓75%跌落，持續(xù)1.705s；電壓90%跌落，持續(xù)2s仿真測試。

電壓20%跌落

圖10 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖11 直流側(cè)電壓波形

電壓35%跌落

圖12 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖13 直流側(cè)電壓波形

電壓50%跌落

圖14 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖15 直流側(cè)電壓波形

電壓75%跌落

圖16 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖17 直流側(cè)電壓波形

電壓90%跌落

圖18 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖19 直流側(cè)電壓波形

（2）高電壓穿越測試，按照標準要求，分別進行電壓:120%抬升，持續(xù)10s；電壓125%抬升，持續(xù)1s；130%抬升，持續(xù)0.5s仿真測試。

電壓120%抬升

圖20 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖21 直流側(cè)電壓波形

電壓125%抬升

圖22 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖23 直流側(cè)電壓波形

電壓130%抬升

圖24 690V側(cè)電壓、電流、功率波形

圖25 直流側(cè)電壓波形

通過上述仿真結(jié)果可以看出，無論是在電網(wǎng)電壓正常時還是在高低穿期間，均能得到較符合設計預期的結(jié)果波形，控制效果符合良好。

審核編輯：劉清