幾種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析

華澤嘉，高 聚，陶維珣，路 凱

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.國(guó)電龍?jiān)措娏夹g(shù)工程有限責(zé)任公司，北京 100039)

近幾年來(lái)，在國(guó)家新能源政策的扶持下，作為技術(shù)最為成熟、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)價(jià)值的風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展，裝機(jī)容量逐年上升。截至2010年底，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到4000萬(wàn)千瓦，年均增長(zhǎng)率超過(guò)100%。然而去年酒泉風(fēng)電基地風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)異常這一事故給風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了諸多問(wèn)題和思考，為此在國(guó)調(diào)中心組織的“防止風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)重點(diǎn)措施”的討論會(huì)上，對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)提出了諸多要求。其中最主要的就是強(qiáng)調(diào)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。一般情況下，若電網(wǎng)發(fā)生故障，其導(dǎo)致的電壓跌落會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)一系列危害機(jī)組本身及其控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程:如過(guò)電壓、過(guò)電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升等，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組就會(huì)實(shí)施被動(dòng)式的自我保護(hù)而立即自行解列，這在風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率較低時(shí)是可以被電網(wǎng)所接受的。但是當(dāng)風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率較高時(shí)，如果電網(wǎng)發(fā)生故障，風(fēng)電機(jī)組自行解列，不但會(huì)增加電網(wǎng)恢復(fù)難度，甚至?xí)觿‰娋W(wǎng)故障，從而導(dǎo)致系統(tǒng)其他機(jī)組解列。為此電網(wǎng)要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有在電力系統(tǒng)有較大波動(dòng)時(shí)保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持電網(wǎng)恢復(fù)的能力，這就是風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越特性(LVRT-low voltage ride through)。目前我國(guó)各風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠家的風(fēng)機(jī)LVRT特性普遍是按照德國(guó)E-on標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，即[1]:風(fēng)場(chǎng)必須具有在并網(wǎng)電壓跌落20%額定電壓時(shí)能夠堅(jiān)持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms;風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生電壓跌落3 s后能夠恢復(fù)到90%額定電壓時(shí)，必須保持并網(wǎng)運(yùn)。見(jiàn)圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)LVRT標(biāo)準(zhǔn)

雙饋異步風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)是目前各風(fēng)電場(chǎng)安裝的兩種主流機(jī)型，二者都通過(guò)采用不同的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT功能。本文將詳細(xì)分析北方某風(fēng)電場(chǎng)安裝的上述兩種機(jī)型的低電壓穿越能力，利用PSASP仿真分析軟件建立二者的低電壓穿越模型，并根據(jù)仿真結(jié)果給出兩種機(jī)型實(shí)際工作中的低電壓穿越能力的最低電壓限制。

1 雙饋異步風(fēng)機(jī)(DFIG)LVRT工作原理及并網(wǎng)模型

本風(fēng)場(chǎng)所安裝的DFIG依靠以下三個(gè)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT功能:變流器、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)。作用原理如下:

DFIG在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，往往是因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)的變流器為防止暫態(tài)過(guò)電流(通常為額定電流的2～3倍)對(duì)其的損害而退出運(yùn)行[2]，從而無(wú)法控制勵(lì)磁電流導(dǎo)致失去對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，當(dāng)達(dá)到一定限值時(shí)風(fēng)機(jī)就會(huì)實(shí)施自我保護(hù)退出運(yùn)行。本風(fēng)場(chǎng)安裝的DFIG的變流器具有撬棒支路(有源Crow-bar模塊)，用來(lái)當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過(guò)限定值時(shí)，旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，阻尼轉(zhuǎn)子磁鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈衰減后撬棒支路便可退出，變流器工作，控制能力恢復(fù)。但在撬棒支路啟動(dòng)時(shí)，會(huì)使風(fēng)場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)失去控制。在撬棒支路工作的同時(shí)，變槳系統(tǒng)啟用，降低風(fēng)機(jī)捕風(fēng)能力，重新建立機(jī)端電壓。主控系統(tǒng)采用在線不間斷電源，能在短時(shí)間內(nèi)為PLC及相應(yīng)控制回路供電。并網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 DFIG并網(wǎng)模型

(2)雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的建模

坐標(biāo)系采用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸超前q軸，派克變換采用恒功率變換:

雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程:

2 直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)(PMSG)LVRT工作原理及并網(wǎng)模型

相比DFIG而言，雖然PMSG與電網(wǎng)之間通過(guò)背靠背全功率變流器實(shí)現(xiàn)完全隔離，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流，當(dāng)對(duì)變流器采取限流措施后，由于直流側(cè)輸入功率大于輸出功率，且變流器熱容量有限，會(huì)使直流側(cè)電壓升高，損壞變流器[3-5]。為此，本風(fēng)場(chǎng)安裝的PMSG在變流器結(jié)構(gòu)中配備了基于PWM技術(shù)的制動(dòng)單元，吸收直流側(cè)輸入大于輸出的那部分功率，并以熱能的形式散發(fā)出去。從而避免了變流器由于直流過(guò)電壓造成的損壞，增強(qiáng)了系統(tǒng)的LVRT能力。在輸出側(cè)還配置了LC濾波裝置，減少了輸出諧波，提高了系統(tǒng)容量。并網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 PMSG并網(wǎng)模型

(1)直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)的建模

PMSG數(shù)學(xué)模型采用dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，q軸定向與發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)空間矢量，并假定發(fā)電機(jī)dq軸電感相等。

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te為:

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm一起決定了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωg:

3 對(duì)比仿真

在風(fēng)電場(chǎng)外部系統(tǒng)故障中以三相短路故障時(shí)的電壓跌落最為嚴(yán)重，所以本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)的系統(tǒng)外部三相短路故障時(shí)的機(jī)端電壓降低值進(jìn)行仿真。以北方某風(fēng)電場(chǎng)中安裝的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)兩種機(jī)型為實(shí)例，利用電力系統(tǒng)仿真分析軟件PSASP對(duì)兩種機(jī)型的低電壓穿越能力進(jìn)行仿真。

圖4 為風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1 DFIG仿真結(jié)果與說(shuō)明

當(dāng)雙遼母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓下降到接近于零，這個(gè)故障是最嚴(yán)重的故障，即風(fēng)電場(chǎng)出口發(fā)生三相短路故障，一般極少發(fā)生。當(dāng)西郊母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.2 pu，當(dāng)三家子母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.4 pu，當(dāng)長(zhǎng)春母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.55 pu，離風(fēng)電場(chǎng)最遠(yuǎn)的母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.85 pu。由此可見(jiàn)該雙饋異步風(fēng)機(jī)LVRT的最低電壓限值應(yīng)為0.2 pu。該風(fēng)電機(jī)組的LVRT特性見(jiàn)圖5。

圖5 DFIG低電壓穿越特性圖

4.2 PSMG仿真結(jié)果與說(shuō)明

當(dāng)雙遼母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓依然下降到接近于零，當(dāng)西郊母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.4 pu，當(dāng)三家子母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.6 pu，當(dāng)長(zhǎng)春母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.7 pu，離風(fēng)電場(chǎng)最遠(yuǎn)的母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓下降到0.85 pu。由此可見(jiàn)該直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)LVRT最低電壓限值應(yīng)為0.4 pu，高于本風(fēng)場(chǎng)安裝的雙饋異步風(fēng)機(jī)最低電壓限制0.2 pu，同時(shí)，直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力高于雙饋異步風(fēng)電機(jī)組。該風(fēng)電機(jī)組LVRT特性見(jiàn)圖6。

圖6 PMSG低電壓穿越特性圖

4 結(jié) 論

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，添加制動(dòng)單元的PMSG的LVRT特性與采用撬棒支路的DFIG的LVRT特性相比，在最低電壓限值方面，PMSG的0.4 pu高于DFIG的0.2 pu，在持續(xù)穩(wěn)定性方面，PMSG在電網(wǎng)電壓跌落至15%時(shí)能堅(jiān)持并網(wǎng)225 ms，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生電壓跌落3 s后，能夠保持并網(wǎng)并恢復(fù)到85%額定電壓。DFIG在電網(wǎng)電壓跌落至15%時(shí)能堅(jiān)持并網(wǎng)180 ms，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生電壓跌落3 s后，能夠保持并網(wǎng)并恢復(fù)到75%額定電壓。由此可見(jiàn)，本風(fēng)電場(chǎng)安裝的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越特性優(yōu)于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越特性。

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