本文摘要：摘要：新能源常通過特高壓交/直流輸電系統(tǒng)送出，新能源匯集送端電網(wǎng)配套火電機組少，電網(wǎng)強度弱，直流閉鎖或交流嚴(yán)重短路故障后的暫態(tài)過電壓易引發(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(Mutil-polepermanentmagnetsynchronousgeneratorbasedw
摘要：新能源常通過特高壓交/直流輸電系統(tǒng)送出，新能源匯集送端電網(wǎng)配套火電機組少，電網(wǎng)強度弱，直流閉鎖或交流嚴(yán)重短路故障后的暫態(tài)過電壓易引發(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(Mutil-polepermanentmagnetsynchronousgeneratorbasedwindgenerator,PMSG)并網(wǎng)模型，研究弱電網(wǎng)中送出線路遠端短路故障時的PMSG功率特性，揭示故障發(fā)生與清除時刻PMSG控制產(chǎn)生誤差的原因，分析PMSG控制策略與參數(shù)對機組功率特性以及機端暫態(tài)過電壓特性的影響。研究結(jié)果表明，遠端短路故障清除時刻PMSG網(wǎng)側(cè)電壓相位一般向后跳變，由于鎖相環(huán)存在時延，使暫態(tài)過程中鎖相結(jié)果超前于實際相位，導(dǎo)致PMSG有功/無功控制不解耦，電流控制產(chǎn)生誤差，由于鎖相結(jié)果超前實際相位產(chǎn)生的控制誤差會抑制網(wǎng)側(cè)電壓的快速抬升。
關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)機;弱交流電網(wǎng);暫態(tài)過電壓;低電壓穿越;鎖相環(huán)
1引言
中國華北、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，且同步電源容量有限。因此，新能源匯集地區(qū)的電網(wǎng)強度一般較弱[3]。
這些地區(qū)出現(xiàn)短路或直流故障時，易出現(xiàn)暫態(tài)過電壓問題[4]，造成風(fēng)機大規(guī)模脫網(wǎng)[5]。針對新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過電壓問題的相關(guān)研究可分為兩類：第一類是分析過電壓產(chǎn)生原因。例如，文獻[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(nèi)站內(nèi)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(dǎo)典型直流送端有風(fēng)火接入時的等效電路數(shù)學(xué)模型，指出單極閉鎖場景下，無功補償裝置產(chǎn)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(dǎo)致的過剩無功倒送，會導(dǎo)致?lián)Q流母線出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，電壓抬升幅值可超過20%，抬升持續(xù)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(xiàn)先降后升的過程，暫態(tài)電壓升高出現(xiàn)在換相失敗恢復(fù)期。
文獻[10]對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)展原因進行分析，指出系統(tǒng)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(diào)整能力，短路故障清除后，系統(tǒng)電壓回升，而電容器組仍掛網(wǎng)運行，引起暫態(tài)過電壓。文獻[11]對2011年酒泉風(fēng)電高電壓脫網(wǎng)事故頻發(fā)的原因進行梳理總結(jié)，指出風(fēng)電場內(nèi)電纜頭安裝質(zhì)量問題突出，是造成事故的導(dǎo)火索;風(fēng)電場動態(tài)無功補償設(shè)備無法正常投運感性支路，是造成暫態(tài)過電壓的重要原因。
文獻[12]在文獻[10-11]的基礎(chǔ)上進一步指出，短路故障清除后風(fēng)電高電壓脫網(wǎng)的原因除了無功補償裝置外，風(fēng)電自身的動態(tài)無功控制響應(yīng)滯后或控制超調(diào)，也可能造成網(wǎng)側(cè)電壓驟升。文獻[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)中靜止無功補償器采用控制感性支路的恒無功運行方式，即使系統(tǒng)外送有功遠低于靜穩(wěn)極限且未出現(xiàn)無功過補償，投入電容器也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓驟升。第二類現(xiàn)有研究是分析過電壓應(yīng)對策略。
例如，文獻[9]針對特高壓直流送端的風(fēng)機暫態(tài)過電壓脫網(wǎng)問題，提出以下四點建議：①加強網(wǎng)架和同步機組建設(shè);②合理規(guī)劃風(fēng)電接入方式(盡量避免風(fēng)電匯集線直接接入換流站);③提高直流近區(qū)風(fēng)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(fēng)機各控制環(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(fēng)能捕獲;③改變機側(cè)變流器控制使故障期間風(fēng)機的功率波動由發(fā)電機轉(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，以實現(xiàn)故障過程中的直流電壓抑制，保護開關(guān)器件，實現(xiàn)故障穿越。上述關(guān)于過電壓產(chǎn)生原因和應(yīng)對策略兩個層面的研究已比較廣泛，但對于弱電網(wǎng)中風(fēng)機機端暫態(tài)過電壓特性的研究還存在以下兩方面挑戰(zhàn)：
1)現(xiàn)有針對直流換相失敗/閉鎖導(dǎo)致的過電壓相關(guān)研究，重點關(guān)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(cè)短路故障導(dǎo)致的過電壓研究，重點關(guān)注無功補償設(shè)置響應(yīng)速度以及控制策略問題。但當(dāng)風(fēng)機接入電網(wǎng)的強度較弱時，故障過程中的風(fēng)機功率特性對其網(wǎng)側(cè)電壓影響較大，對弱電網(wǎng)條件下的風(fēng)機故障過程功率特性分析，是研究風(fēng)機機端暫態(tài)過電壓問題的關(guān)鍵之一。
2)受限于試驗條件，一般針對風(fēng)機的電壓穿越測試(如型式試驗)在箱變高壓側(cè)進行短路故障設(shè)置[17]，較難反映弱電網(wǎng)遠端故障時的風(fēng)機功率特性[18]，且故障清除時刻的風(fēng)機功率特性常被忽略[19]，而風(fēng)機機端暫態(tài)過電壓現(xiàn)象多發(fā)生在弱電網(wǎng)遠端故障條件下的故障清除時刻。對弱電網(wǎng)中發(fā)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(wǎng)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(fù)過程中PMSG機端暫態(tài)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(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)對短路故障過程機端暫態(tài)過電壓水平的影響，提出PMSG故障穿越策略/參數(shù)的相關(guān)建議。
2PMSG接入強/弱電網(wǎng)的低電壓故障過程功率特性分析
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)，線路(電抗為jXL)接入大電網(wǎng)(短路阻抗為jXS)。其中機側(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[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計算得到的風(fēng)機網(wǎng)側(cè)電壓V的q軸分量。
id和iq為風(fēng)機輸出電流的dq軸分量，idref和iqref為風(fēng)機外環(huán)控制給出的id和iq的參考值，R和L為風(fēng)機網(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)機有功電流按指定斜率恢復(fù)的控制邏輯，iLVRTstart為進入低穿時刻風(fēng)機電流。當(dāng)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(fēng)機維持有功電流不變的控制。idselect為風(fēng)機有功外環(huán)選擇值，風(fēng)機正常運行時，選擇①的輸出作為idselect。在低穿過程中，若風(fēng)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(fēng)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(fù)但有功未恢復(fù)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(wǎng)側(cè)電壓的影響理論分析
3.1PMSG低電壓故障過程的穩(wěn)態(tài)功率源特性PMSG通過全功率變流器與電網(wǎng)實現(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)電壓在正常運行范圍內(nèi)。
4PMSG低電壓故障過程功率特性及其網(wǎng)側(cè)電壓的影響仿真分析
建立Simulink模型進行仿真，分析弱電網(wǎng)中的PMSG低穿控制策略與參數(shù)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(wǎng)側(cè)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(fēng)機低穿過程功率特性及網(wǎng)側(cè)電壓，仿真工況為：100臺2MW風(fēng)機接入弱電網(wǎng)(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(xù)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(fā)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(fù)至0.9p.u.的過程中(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)過程長，有功抖動劇烈。
而“有功不變”策略在電壓從0.4p.u.恢復(fù)至0.9p.u.的過程中會控制有功不變，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題。風(fēng)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(fēng)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(wǎng)側(cè)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(jié)論
本文針對弱電網(wǎng)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(fù)過程中PMSG機端暫態(tài)過電壓特性進行研究。主要結(jié)論如下：1)PMSG接入弱電網(wǎng)時，送出線路遠端短路發(fā)生和清除時刻，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(dǎo)致PLL鎖相結(jié)果超前于實際相位，進而使得PMSG無功電流控制結(jié)果小于指令值，有功電流耦合產(chǎn)生容性無功，造成無功快速收回甚至吸無功現(xiàn)象，進而抑制PMSG機端暫態(tài)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(chǎn)生負有功，因此無功電流越大，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，李蘊紅，王瀟，劉京波
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