一種風(fēng)電全功率變流器高電壓穿越控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中用于風(fēng)電全功率變流器高電壓穿越的控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，高電壓穿越問題越來越受到重視，各國(guó)相繼制定相應(yīng)的并網(wǎng)導(dǎo)則，例如澳 大利亞、加拿大、丹麥、德國(guó)、西班牙、美國(guó)、愛爾蘭，他們?cè)诘碗妷捍┰胶透唠妷捍┰降确矫?都有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)要求。目前，GB/T 9963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》 提出了風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越（LVRT)能力的要求，暫時(shí)還未發(fā)布高電壓穿越（HVRT)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
[0003] 隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)的提升，從2MW開始至5MW，基于同步發(fā)電機(jī)的全功率變流 器方案應(yīng)用規(guī)模逐步擴(kuò)大，尤其是海上風(fēng)電的發(fā)展，5MW及以上風(fēng)電機(jī)組中，全功率變流器 的優(yōu)勢(shì)凸顯，所以全功率變流器的高電壓穿越技術(shù)亟需研究開發(fā)。
[0004] 基于同步發(fā)電機(jī)的全功率變流器，由于機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)間被母線隔離，所以重 點(diǎn)考慮網(wǎng)側(cè)變流器的故障應(yīng)對(duì)方案。當(dāng)變流器使用常規(guī)的控制策略時(shí)，突發(fā)電網(wǎng)驟升故障， 受電流控制器響應(yīng)速度的限制，在電壓升高和恢復(fù)的暫態(tài)會(huì)產(chǎn)生電流沖擊，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致母 線過壓停機(jī)。在電壓升高的穩(wěn)態(tài)期間，如果不采取應(yīng)對(duì)策略，會(huì)出現(xiàn)過調(diào)制，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸出 電流失控，嚴(yán)重時(shí)大量的諧波電流將導(dǎo)致過流停機(jī)。
[0005] CN201410490428《一種風(fēng)電變流器的高電壓穿越方法》雖然采用了卸荷電路抑制 母線過壓的控制方法，但由于沒有提出針對(duì)母線的控制策略，無法解決因過調(diào)制導(dǎo)致的電 流失控，并且由于電壓升高穩(wěn)態(tài)過程中卸荷動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致電壓升高穩(wěn)態(tài)期間有功功率輸出 降低，損失發(fā)電量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服常規(guī)全功率變流器控制方法無法滿足高電壓穿越要求的不足，本發(fā)明提 出一種全功率變流器高電壓穿越控制方法。本發(fā)明可以解決高電壓穿越中出現(xiàn)的過調(diào)制電 流失控，以及不平衡驟升中電流畸變的問題。
[0007] 本發(fā)明控制方法通過以下四個(gè)控制策略的共同作用實(shí)現(xiàn)：
[0008] 控制策略之一為動(dòng)態(tài)調(diào)整直流母線電壓參考值的策略。電網(wǎng)過電壓時(shí)，電流穩(wěn)定 控制的最大威脅是過調(diào)制，因?yàn)樵谶^調(diào)制狀態(tài)下，電網(wǎng)會(huì)向母線注入不可控的有功電流，導(dǎo) 致網(wǎng)側(cè)電流諧波增加，直流母線電壓不穩(wěn)定，影響有功無功控制。為了解決此問題，本發(fā)明 根據(jù)電網(wǎng)電壓幅值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)直流母線電壓參考值。以電網(wǎng)高壓側(cè)電壓升高至1. 3pu為例， 本發(fā)明采用電壓利用率較高的SVPWM調(diào)制方法，為防止過調(diào)制導(dǎo)致電流控制失控，忽略網(wǎng) 偵_感電壓，直流母線電壓穩(wěn)態(tài)值需要達(dá)到690 X丨.3 X V? = 1269K，但考慮到無功電流在電 網(wǎng)線路和網(wǎng)側(cè)電感上的壓降，以及安全運(yùn)行需要，直流母線電壓參考目標(biāo)最大值需要限制。 直流母線電壓參考值Ud/調(diào)整方案如下式所示，
[0010] 式中，ug為電網(wǎng)正序電壓有效值，Λ U為控制余量，U Μιη為電網(wǎng)電壓正常時(shí)直流母 線電壓參考值，u_ax為安全運(yùn)行所允許的最大直流母線電壓參考值。
[0011] 控制策略之二為總電流限制條件下無功電流優(yōu)先的策略。變流器最大電流受容量 限制，有功電流和無功電流的平方和不應(yīng)大于總電流的平方。為了降低變流器端電網(wǎng)電壓 幅值，同時(shí)也為了滿足潛在的國(guó)標(biāo)要求，網(wǎng)側(cè)變流器優(yōu)先滿足無功電流的需求，然后通過平 方差求取最大有功電流參考值，并以此值作為有功電流參考值的限幅值。
[0012] 當(dāng)電網(wǎng)正序電壓標(biāo)幺值范圍為1彡UT< 1. 3時(shí)，無功電流I q符合下面公式，
[0013] Iq彡-I NXkX (UT-1. 1)
[0014] 式中，ΙΝ為網(wǎng)側(cè)變流器額定電流，k為無功調(diào)整系數(shù)，經(jīng)過對(duì)比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，無功調(diào)整 系數(shù)k通常取不小于2的數(shù)值，UT為電網(wǎng)正序電壓標(biāo)幺值。
[0015] 上式中的負(fù)號(hào)表示無功電流為感性，即吸無功。最大有功電流參考值ΙΛχ由下式 求得，
[0017] 式中，Is為變流器最大電流。
[0018] 控制策略之三為隨母線參考值動(dòng)態(tài)調(diào)整卸荷投入占空比值的策略。在電壓升高和 恢復(fù)的暫態(tài)過程，存在電流沖擊，可能導(dǎo)致母線過壓，通常采用卸荷抑制，當(dāng)直流母線電壓 大于設(shè)定閾值投入卸荷，當(dāng)直流母線電壓小于設(shè)定閾值切出卸荷，兩閾值間設(shè)置滯環(huán)。較低 的閾值設(shè)置響應(yīng)速度快，但在電網(wǎng)電壓升高的過程中會(huì)由于不控整流電流由電網(wǎng)流向母線 進(jìn)而被卸荷電阻消耗，損失發(fā)電量。較高的閾值設(shè)置可以避免電網(wǎng)電壓升高過程中卸荷的 投入，但犧牲了響應(yīng)速度。結(jié)合本發(fā)明所述控制方法之一中的直流母線電壓參考值，以脈寬 調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)卸荷動(dòng)作，占空比值D與直流母線電壓實(shí)際值和參考值的偏差Λ Ud。成線性關(guān) 系，占空比值D的設(shè)置如下式，
[0020] 式中，Λ υΜιη為卸荷完全切出直流母線電壓偏差值，Λ UMax為卸荷完全投入直流 母線電壓偏差值。
[0021] 卸荷的滯環(huán)控制條件作為安全輔助條件保留。當(dāng)直流母線電壓大于投入閾值則設(shè) 定卸荷投入占空比D = 1，當(dāng)直流母線電壓小于切出閾值則設(shè)定卸荷投入占空比D = 0。這 樣，在電網(wǎng)電壓升高的暫態(tài)，由于直流母線電壓參考值閾值相對(duì)較低，可以快速投入卸荷抑 制過壓，在電網(wǎng)電壓升高穩(wěn)態(tài)期間，可以避免卸荷投入消耗不必要的有功。
[0022] 控制策略之四為基于參考和誤差濾波信號(hào)解耦的電流控制算法。本發(fā)明不同于常 規(guī)正負(fù)序電流控制算法之處在于兩點(diǎn)。第一，去除了獲取正負(fù)序電流所需的濾波環(huán)節(jié)，通過 負(fù)序電流控制器作用，控制電流中負(fù)序分量為零，穩(wěn)態(tài)時(shí)總電流全部為正序電流，而獲取負(fù) 序電流采用負(fù)序坐標(biāo)系下電流減去正序參考值和經(jīng)過低通濾波的誤差電流的方式，由于PI 調(diào)節(jié)器前向通道減少了滯后環(huán)節(jié)，提高了電流控制響應(yīng)速度。第二，交叉解耦項(xiàng)的電流輸入 增加了低通濾波器，避免了諧波電流對(duì)控制器輸出的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0023] 本發(fā)明所述四個(gè)控制策略共同作用，即可以實(shí)現(xiàn)全功率變流器高電壓穿越功能。
[0024] 由于目前變流器通常選擇1700V的IGBT，并且母線支撐電容、網(wǎng)側(cè)電抗器、網(wǎng)側(cè) 濾波電容等器件均有超過1. 3倍短時(shí)過壓耐受能力，所以應(yīng)用本發(fā)明所述的控制方法可以 在保持現(xiàn)有硬件不變的條件下實(shí)現(xiàn)不大于1. 3倍額定電壓的高電壓穿越功能，節(jié)約升級(jí)成 本。
【附圖說明】
[0025] 圖1為全功率變流器拓?fù)鋱D；
[0026] 圖2為網(wǎng)側(cè)控制器框圖；
[0027] 圖3為卸荷控制流程圖；
[0028] 圖4為電流控制算法框圖；
[0029] 圖5a、圖5b為2麗全功率變流器高電壓穿越仿真波形。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0031] 全功率變流器拓?fù)鋱D如圖1所示，主電路由網(wǎng)側(cè)變流器101、機(jī)側(cè)變流器102、卸荷 電路103組成，總控制器111包含了網(wǎng)側(cè)控制器、機(jī)側(cè)控制器、卸荷控制器三部分。
[0032] 本發(fā)明采用的動(dòng)態(tài)調(diào)整直流母線電壓參考值、總電流限制條件下無功電流優(yōu)先、 隨母線參考值動(dòng)態(tài)調(diào)整卸荷投入占空比值，以及基于參考和誤差濾波信號(hào)解耦的電流控制 算法分別對(duì)應(yīng)總控制器111中的電網(wǎng)相關(guān)的四處關(guān)鍵位置：直流母線電壓參考值、網(wǎng)側(cè)無 功電流環(huán)參考值、卸荷投入占空比參考值和電流控制算法。
[0033] 網(wǎng)側(cè)控制框圖如圖2所示，控制器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，直流母線電壓外環(huán)的給定值Ud/由 直流母線電壓參考值計(jì)算模塊201輸出，減去直流母線電壓反饋值得到直流母線電壓偏差 Λ Ud。，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出有功電流給定值ig/。ig/經(jīng)過無功優(yōu)先限幅模塊204限幅后做 為電流控制器203的輸入。無功電流給定值由無功電流參考值計(jì)算模塊202輸出，直 接進(jìn)入電流控制器203。鎖相環(huán)205用于提取電網(wǎng)電壓序分量，并獲得正序電壓角度，供給 電流控制器203使用。
[0034] 常規(guī)控制方法中，直流母線電壓參考值為常數(shù)。本發(fā)明中，直流母線電壓參考值由 直流母線電壓參考值計(jì)算模塊201計(jì)算得到，其值為與電網(wǎng)正序電壓成線性關(guān)系，如下式 所示，
[0036] Ug為電網(wǎng)正序電壓有效值，Λ U為控制余量，U Μιη為電網(wǎng)電壓正常時(shí)直流母線電 壓參考值，U_ax為安全運(yùn)行所允許的最大直流母線電壓參考值。
[0037] 以2麗全功率變流器為例，直流母線電容額定電壓通常為1100V，而1. 15倍 過壓（1265V)每天最長(zhǎng)可耐受30分鐘不會(huì)影響使用壽命，所以可以將電網(wǎng)電壓正常時(shí) 直流母線電壓參考值UMin設(shè)置為1050V，安全運(yùn)行所允許的直流最大母線電壓參考值 U_ax設(shè)置為1200V。需要注意的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓處