一種風電全功率變流器高電壓穿越控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種風力發電技術領域中用于風電全功率變流器高電壓穿越的控制 方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，高電壓穿越問題越來越受到重視，各國相繼制定相應的并網導則，例如澳 大利亞、加拿大、丹麥、德國、西班牙、美國、愛爾蘭，他們在低電壓穿越和高電壓穿越等方面 都有詳細的標準規范和技術要求。目前，GB/T 9963-2011《風電場接入電力系統技術規定》 提出了風電場低電壓穿越（LVRT)能力的要求，暫時還未發布高電壓穿越（HVRT)相關標準。
[0003] 隨著風電機組功率等級的提升，從2MW開始至5MW，基于同步發電機的全功率變流 器方案應用規模逐步擴大，尤其是海上風電的發展，5MW及以上風電機組中，全功率變流器 的優勢凸顯，所以全功率變流器的高電壓穿越技術亟需研究開發。
[0004] 基于同步發電機的全功率變流器，由于機側變流器與電網間被母線隔離，所以重 點考慮網側變流器的故障應對方案。當變流器使用常規的控制策略時，突發電網驟升故障， 受電流控制器響應速度的限制，在電壓升高和恢復的暫態會產生電流沖擊，嚴重時導致母 線過壓停機。在電壓升高的穩態期間，如果不采取應對策略，會出現過調制，導致網側輸出 電流失控，嚴重時大量的諧波電流將導致過流停機。
[0005] CN201410490428《一種風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母線的控制策略，無法解決因過調制導致的電 流失控，并且由于電壓升高穩態過程中卸荷動作，會導致電壓升高穩態期間有功功率輸出 降低，損失發電量。
【發明內容】
[0006] 為了克服常規全功率變流器控制方法無法滿足高電壓穿越要求的不足，本發明提 出一種全功率變流器高電壓穿越控制方法。本發明可以解決高電壓穿越中出現的過調制電 流失控，以及不平衡驟升中電流畸變的問題。
[0007] 本發明控制方法通過以下四個控制策略的共同作用實現：
[0008] 控制策略之一為動態調整直流母線電壓參考值的策略。電網過電壓時，電流穩定 控制的最大威脅是過調制，因為在過調制狀態下，電網會向母線注入不可控的有功電流，導 致網側電流諧波增加，直流母線電壓不穩定，影響有功無功控制。為了解決此問題，本發明 根據電網電壓幅值，動態調節直流母線電壓參考值。以電網高壓側電壓升高至1. 3pu為例， 本發明采用電壓利用率較高的SVPWM調制方法，為防止過調制導致電流控制失控，忽略網 偵_感電壓，直流母線電壓穩態值需要達到690 X丨.3 X V? = 1269K，但考慮到無功電流在電 網線路和網側電感上的壓降，以及安全運行需要，直流母線電壓參考目標最大值需要限制。 直流母線電壓參考值Ud/調整方案如下式所示，
[0010] 式中，ug為電網正序電壓有效值，Λ U為控制余量，U Μιη為電網電壓正常時直流母 線電壓參考值，u_ax為安全運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大于總電流的平方。為了降低變流器端電網電壓 幅值，同時也為了滿足潛在的國標要求，網側變流器優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] 當電網正序電壓標幺值范圍為1彡UT< 1. 3時，無功電流I q符合下面公式，
[0013] Iq彡-I NXkX (UT-1. 1)
[0014] 式中，ΙΝ為網側變流器額定電流，k為無功調整系數，經過對比國外標準，無功調整 系數k通常取不小于2的數值，UT為電網正序電壓標幺值。
[0015] 上式中的負號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態調整卸荷投入占空比值的策略。在電壓升高和 恢復的暫態過程，存在電流沖擊，可能導致母線過壓，通常采用卸荷抑制，當直流母線電壓 大于設定閾值投入卸荷，當直流母線電壓小于設定閾值切出卸荷，兩閾值間設置滯環。較低 的閾值設置響應速度快，但在電網電壓升高的過程中會由于不控整流電流由電網流向母線 進而被卸荷電阻消耗，損失發電量。較高的閾值設置可以避免電網電壓升高過程中卸荷的 投入，但犧牲了響應速度。結合本發明所述控制方法之一中的直流母線電壓參考值，以脈寬 調制方式驅動卸荷動作，占空比值D與直流母線電壓實際值和參考值的偏差Λ Ud。成線性關 系，占空比值D的設置如下式，
[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] 卸荷的滯環控制條件作為安全輔助條件保留。當直流母線電壓大于投入閾值則設 定卸荷投入占空比D = 1，當直流母線電壓小于切出閾值則設定卸荷投入占空比D = 0。這 樣，在電網電壓升高的暫態，由于直流母線電壓參考值閾值相對較低，可以快速投入卸荷抑 制過壓，在電網電壓升高穩態期間，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解耦的電流控制算法。本發明不同于常 規正負序電流控制算法之處在于兩點。第一，去除了獲取正負序電流所需的濾波環節，通過 負序電流控制器作用，控制電流中負序分量為零，穩態時總電流全部為正序電流，而獲取負 序電流采用負序坐標系下電流減去正序參考值和經過低通濾波的誤差電流的方式，由于PI 調節器前向通道減少了滯后環節，提高了電流控制響應速度。第二，交叉解耦項的電流輸入 增加了低通濾波器，避免了諧波電流對控制器輸出的干擾，提高了系統穩定性。
[0023] 本發明所述四個控制策略共同作用，即可以實現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、網側電抗器、網側 濾波電容等器件均有超過1. 3倍短時過壓耐受能力，所以應用本發明所述的控制方法可以 在保持現有硬件不變的條件下實現不大于1. 3倍額定電壓的高電壓穿越功能，節約升級成 本。
【附圖說明】
[0025] 圖1為全功率變流器拓撲圖；
[0026] 圖2為網側控制器框圖；
[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。
【具體實施方式】
[0030] 以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0031] 全功率變流器拓撲圖如圖1所示，主電路由網側變流器101、機側變流器102、卸荷 電路103組成，總控制器111包含了網側控制器、機側控制器、卸荷控制器三部分。
[0032] 本發明采用的動態調整直流母線電壓參考值、總電流限制條件下無功電流優先、 隨母線參考值動態調整卸荷投入占空比值，以及基于參考和誤差濾波信號解耦的電流控制 算法分別對應總控制器111中的電網相關的四處關鍵位置：直流母線電壓參考值、網側無 功電流環參考值、卸荷投入占空比參考值和電流控制算法。
[0033] 網側控制框圖如圖2所示，控制器為雙環結構，直流母線電壓外環的給定值Ud/由 直流母線電壓參考值計算模塊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。，經過PI調節器，輸出有功電流給定值ig/。ig/經過無功優先限幅模塊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算模塊202輸出，直 接進入電流控制器203。鎖相環205用于提取電網電壓序分量，并獲得正序電壓角度，供給 電流控制器203使用。
[0034] 常規控制方法中，直流母線電壓參考值為常數。本發明中，直流母線電壓參考值由 直流母線電壓參考值計算模塊201計算得到，其值為與電網正序電壓成線性關系，如下式 所示，
[0036] Ug為電網正序電壓有效值，Λ U為控制余量，U Μιη為電網電壓正常時直流母線電 壓參考值，U_ax為安全運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)每天最長可耐受30分鐘不會影響使用壽命，所以可以將電網電壓正常時 直流母線電壓參考值UMin設置為1050V，安全運行所允許的直流最大母線電壓參考值 U_ax設置為1200V。需要注意的是，當電網電壓處