网侧变换器高电压穿越策略优化

GSC输出的调制电压受直流母线电压的限制，调制电压存在最大值。当电网电压骤升后，GSC输出的调制电压过调制，从线性区间进入非线性区间，降低了网侧电流的可控性，直流母线电压存在骤升风险，同时电流畸变增大。因此，GSC的高电压穿越目的是降低非线性程度，避免非线性工作带来的负面影响。GSC的数学模型相量图如图5－59所示。

图5-59　GSC的数学模型相量图

GSC的串接滤波器中电阻远小于电抗，因此，电阻的压降可以忽略，则调制电压与定子电压满足如下关系：

式中，m为调制系数，对于正弦波脉宽调制（SPWM），m＝2；对于空间电压相量脉宽调制（SVPWM），。

变换器输出的调制电压与最大可输出的调制电压之间的比值记为h，命名为比例系数。

当比例系数小于1时，则GSC工作在线性区，电流完全可控，否则GSC进入非线性工作区间。GSC从电网侧吸收无功的数学模型相量图如图5－60所示。当机组工况为超同步运行，GSC向电网输送有功；当机组工况为亚同步运行，GSC从电网吸收有功。

图5-60　GSC从电网侧吸收无功的数学模型相量图

（a）GSC向电网输送有功；（b）GSC从电网吸收有功

从图5－60可知，通过从电网吸收无功功率或者电流q轴分量的存在，会使GSC的输出调制电压幅值降低，可部分抵消电网电压的骤升幅度，有利于GSC工作在线性区间。GSC的容量一般为发电机容量的30%，存在最大电流限制。无功电流分量与有功电流分量满足如下关系：

为了维持直流母线电压的稳定，GSC优先保证有功传递，则最大无功电流分量满足

(www.xing528.com)

下面考虑在直流母线电压和最大无功电流分量约束下，求取比例系数，比例系数的大小反映了GSC的控制裕度，也表明了GSC是否工作在线性区间，如图5－61所示。无论采取何种脉宽调制方式，当电网电压骤升时，比例系数递增，GSC的控制裕度下降；当比例系数超过1时，GSC工作在过调制状态下，电流发生畸变，直流母线电压存在过压风险。由于SVPWM的直流母线电压利用率高于SPWM，因此，控制裕度较大。无功电流分量的存在有利于减小比例系数，但减小幅度较小，原因在于串接滤波电感的阻抗值太小，无功电流分量在串接滤波电感上的压降起到的作用不大。基于上述分析可知，提高GSC高电压穿越能力的主要因素如下：①GSC所能承受的最大电流较大，有利于高电压穿越；②直流母线电压额定值较大，有利于高电压穿越；③串接滤波电感阻抗较大，有利于高电压穿越。因此，为了满足GSC在高电压期间的可控性，最有效的方式是增大GSC的容量，提高直流母线电压的给定值，不仅提升GSC在高电压故障下的控制能力，也提升了RSC的控制能力。在GSC的容量有限，提升直流电压给定值不可行的条件下，可以修改脉宽调制方式，采用SVPWM，在最大电流约束下，尽可能从电网吸收无功，但这些方法提高GSC的高电压穿越能力有限。因此，有效的方法是在直流母线处增加卸荷电路（或者增加储能装置），消耗直流母线处多余能量（或者吸收利用）。本书采用附加DC－Chopper硬件保护电路方案，该方案结构简单，成本低。

图5-61　GSC工作区间与无功电流之间的关系曲线

本书提出的GSC的高电压故障穿越控制策略如图5－62所示。在高电压故障期间，GSC优先维持直流母线电压恒定，无功功率调节环切换为电压幅值调节环。根据最大电流约束，求取无功电流分量最大值，约束电压幅值调节环的无功补偿能力，防止GSC过电流。本书采用的DC－Chopper保护电路的拓扑结构和控制策略如图5－63所示，不同于PWM驱动，此处采用电平驱动控制IGBT的通断，即采用滞环比较器开环控制卸荷电路的导通和关断，当直流母线电压高于上限时，使能DC－Chopper保护电路；当直流母线电压低于下限时，DC－Chopper保护电路退出，减小硬件保护电路的投入时间。

为了保证DC－Chopper保护电路成功抑制直流母线电压骤升，卸荷电阻应取较小值。考虑到通过卸荷电阻电流不能太大，避免能量的损失，卸荷电阻应取较大值，本书提出根据直流母线电压放电曲线来选取卸荷电阻的阻值，如图5－63（b）所示。IGBT导通和关断对应的电压阈值满足如下关系：

图5-62　GSC的高电压故障穿越控制策略

图5-63　DC-Chopper保护电路结构以及控制策略

（a）DC－Chopper电路结构和投切策略；（b）直流母线电压放电曲线

设置DC－Chopper导通时间ΔT，根据放电变化曲线可知，卸荷电阻的阻值随导通时间的减小而减小。在导通时间内，卸荷电阻所吸收的能量满足如下关系：

式中，斜率；R为卸荷电阻；C为直流母线并接电容。根据式（5－79）可知，卸荷电阻的取值满足如下方程：

卸荷电阻的阻值由硬件保护电路导通时间、滞环比较器的阈值和直流母线电容值共同决定。