背景簡介

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

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

風機并網控制及風機高低電壓穿越能力是風機在電網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風機的并網及高低穿控制，與大家一起探討學習，并希望給起到拋磚引玉的作用。

關于直驅風機的并網及控制之前我們已經有過介紹（直驅永磁同步風機并網仿真（一）、直驅永磁同步風機并網仿真（二）），內容主要是基于穩態控制，并不涉及高低穿期間的控制切換，本次根據個人的理解，加入相關的控制。

圖1 風機并網拓撲結構

并網及高低穿控制

風機并網控制分為網側控制和機側控制，機網側控制方式與直驅永磁同步風機并網仿真（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。

由于直驅風機拓撲機側和電網之間通過背靠背換流器完全隔離，因此，總的來說，電網故障期間，機側控制可以不需要任何，只需對網側控制進行相應的切換即可，鑒于此，故障期間，機側功率不變，網側吸收功率減小，造成換流器兩側功率不平衡，直流電壓會有抬升，為使直流側不過壓，直流側加入耗能裝置是一種常規手段。 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公式進行計算：

其中，Ut為風電場并網點電壓標幺值，In為風電場額定電流。低穿期間有功電流可以根據Id=sqrt(1.1In-Iq^2)進行計算，由于高穿期間交流側電壓抬升，如果此時Id仍然按照此方法計算，會發現計算出的Id數值偏大，由于交流電壓本身已經抬升了，會出現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點電壓，進行網側穩態雙臂還控制和直接電流給定控制之間的切換。

同理，直流側耗能結構也使各有差異，比較簡便的方式是通過開關器件投切電阻的方式，結構如下圖所示，本文采用的就是此種方式。

圖2 耗能電路拓撲結構

仿真模型

根據上述描述，搭建風機并網模型如下圖所示，其中風機額定功率3MVA，直流側電壓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。

圖3整體仿真模型

控制部分模型如下，無論穩態還是高低穿器件，機側控制不發生變化，網側控制根據電壓情況進行切換。

圖4網側控制部分

圖5機側控制部分

直流側控制采用滯環控制，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

仿真結果

（1）運行模型，使其額定運行，仿真結果如下：

圖7 35kV側電壓、電流、功率波形

圖8 690V側電壓、電流、功率波形

圖9 直流側電壓波形

（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0.625s；電壓35%跌落，持續0.92s；50%跌落，持續1.214s；電壓75%跌落，持續1.705s；電壓90%跌落，持續2s仿真測試。

電壓20%跌落

圖10 690V側電壓、電流、功率波形

圖11 直流側電壓波形

電壓35%跌落

圖12 690V側電壓、電流、功率波形

圖13 直流側電壓波形

電壓50%跌落

圖14 690V側電壓、電流、功率波形

圖15 直流側電壓波形

電壓75%跌落

圖16 690V側電壓、電流、功率波形

圖17 直流側電壓波形

電壓90%跌落

圖18 690V側電壓、電流、功率波形

圖19 直流側電壓波形

（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10s；電壓125%抬升，持續1s；130%抬升，持續0.5s仿真測試。

電壓120%抬升

圖20 690V側電壓、電流、功率波形

圖21 直流側電壓波形

電壓125%抬升

圖22 690V側電壓、電流、功率波形

圖23 直流側電壓波形

電壓130%抬升

圖24 690V側電壓、電流、功率波形

圖25 直流側電壓波形

通過上述仿真結果可以看出，無論是在電網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果波形，控制效果符合良好。

審核編輯：劉清