直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)

薛榮輝

(西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源的消耗日益增加，煤、石油、天然氣等不可再生能源存儲(chǔ)量日益減少，發(fā)展可再生能源是解決能源問題的重中之重，風(fēng)能作為一種清潔能源，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，百年來(lái)發(fā)展比較成熟。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量也日漸增加，風(fēng)能經(jīng)過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)在經(jīng)過變流器得到與電網(wǎng)同頻的交流提供給電網(wǎng)。風(fēng)電系統(tǒng)現(xiàn)在用的比較廣泛有雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)和直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)，由于直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)不需要齒輪箱，節(jié)省了維修費(fèi)用，所以直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)，本文研究直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。隨著風(fēng)力發(fā)電的比重增加，需要考慮電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)的影響，以及風(fēng)力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響。而世界各國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商制定并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出的特性作出嚴(yán)格規(guī)定，并網(wǎng)導(dǎo)則中一項(xiàng)重要內(nèi)容為要求風(fēng)電場(chǎng)具有低壓穿越能力[1]。

1 低壓穿越

低壓穿越（LVRT-Low Voltage Ride Through），是指在電網(wǎng)電壓突然降落時(shí)，風(fēng)力系統(tǒng)在不解列的情況下，繼續(xù)給電網(wǎng)提供所需的無(wú)功功率，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的過程。從電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，如果在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)力系統(tǒng)保護(hù)裝置啟動(dòng)，直接從電網(wǎng)解列，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將造成電網(wǎng)崩潰，為此研究直驅(qū)永磁同步風(fēng)力系統(tǒng)的低壓穿越[2]，具有重要意義。需要采取一定的保護(hù)措施對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行過流保護(hù)，網(wǎng)側(cè)一般是采用改進(jìn)前饋控制方案，主要任務(wù)是控制系統(tǒng)使得機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器兩側(cè)功率平衡。但是如果嚴(yán)重故障時(shí)，僅靠控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，不能解決問題，常用的是采用Crowbar保護(hù)電路，在電網(wǎng)電壓發(fā)生突降時(shí)，能夠提供吸收多余能量的通道，使得系統(tǒng)功率平衡。電網(wǎng)電壓突降，機(jī)側(cè)輸出功率不變，網(wǎng)側(cè)輸入功率突降，造成系統(tǒng)輸出輸入功率不平衡，造成直流母線電容電壓上升。要研究解決辦法，現(xiàn)將系統(tǒng)功率關(guān)系研究。設(shè)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能為Pz，最大機(jī)械功率為Pm，永磁同步電機(jī)輸出功率為Pg，注入電網(wǎng)功率為Ps。忽略損耗的情況，正常工作Pm=Pg=Ps，系統(tǒng)功率平衡。

方法一:通過變槳距角實(shí)現(xiàn)低壓穿越，電網(wǎng)電壓突降，輸出電網(wǎng)的功率減小，電流不能突變,系統(tǒng)流入電網(wǎng)的功率降落比與電網(wǎng)電壓降落比成正比，發(fā)電機(jī)輸出功率大于輸入電網(wǎng)功率，調(diào)節(jié)槳距角控制使得功率平衡。

由式（1）（2），及圖1得到，不同β都存在最佳葉尖速比，在最佳葉尖速比時(shí)獲得最大輸出功率。在電壓跌落時(shí)，控制β減小，就可以減小發(fā)電機(jī)輸出功率，使得功率平衡。等到電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，再控制β，使工作在最大風(fēng)能利用率，輸出最大功率。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將通過風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率設(shè)為CP，CP是關(guān)于槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)如下式：

方法二：chopper電路，通過增加chopper電路，解決低壓穿越問題，如圖2所示。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，chopper電路不起作用，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌路，由功率不平衡，引起Udc突然增加，采用chopper電路，電阻將多余的能量消耗，如果不能完全消耗，再采用槳距角控制。

圖1 CP=f（λ,β）曲線圖Fig.1 CP=f（λ,β）

圖2 采用chopper保護(hù)電路Fig.2 Chopper circuit

圖3為chopper電路控制原理，通過功率比較，判斷差值，通過占空比計(jì)算得到脈沖，控制chopper電路中的全控器件，實(shí)現(xiàn)控制。

圖3 Chopper電路控制Fig.3 Chopper circuit control

方法三：STATCOM，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方法解決低壓穿越，正常情況時(shí)，無(wú)功功率給定值Q*等于0，i*q為0，網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)為0，只向網(wǎng)側(cè)提供有功功率；發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，改變Q*，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)提供無(wú)功功率和有功功率。

方法四：Crowbar保護(hù)電路，低壓運(yùn)行方案有在直流母線側(cè)電容端增加Crowbar保護(hù)電路，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。電容與儲(chǔ)能裝置通過IGBT連接，當(dāng)電容電壓低時(shí)，IGBT導(dǎo)通，儲(chǔ)能元件將能量送到電容，當(dāng)電容電壓增加時(shí)，IGBT導(dǎo)通，電容將多余的能量送給儲(chǔ)能元件，這樣能量利用率高。但是電路中增加了儲(chǔ)能元件，費(fèi)用增加；還可以電網(wǎng)側(cè)和直流母線側(cè)增加輔助變流器的Crowbar保護(hù)電路，如圖5所示。

圖4 直流母線電容端增加CrowbarFig.4 The dc bus capacitor increases the Crowbar

圖5 有儲(chǔ)能裝置的Crowbar保護(hù)電路Fig.5 Crowbar protection circuit with energy storage devices

網(wǎng)側(cè)變流器采用全控器件IGBT，考慮到器件過流能力，必須在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，控制通過開關(guān)器件的電流，采用網(wǎng)側(cè)和直流母線側(cè)增加輔助變流裝置，實(shí)際上相當(dāng)于增加了變流器的容量，電壓跌落時(shí)，部分電流可以通過輔助變流器并入電網(wǎng)，從而解決的網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)器件過流的問題，保持電網(wǎng)電壓跌落時(shí)功率平衡。本系統(tǒng)增加了輔助大功率變流器，控制復(fù)雜成本提高。

3 低壓穿越仿真

在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障突降時(shí)，本文采用將電網(wǎng)側(cè)電壓反饋給風(fēng)力系統(tǒng)，通過控制電路，控制槳距角不變的情況下減小最佳葉尖速比，從而減小風(fēng)能利用率，減小輸出機(jī)械能，從而可以使機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)功率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在電網(wǎng)恢復(fù)正常工作時(shí)，通過增大槳距角，保持電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的風(fēng)能利用率，達(dá)到故障前最佳葉尖速比，調(diào)節(jié)槳距角，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制。圖6為仿真結(jié)果。

圖6 電網(wǎng)側(cè)三相電壓Fig.6 Three-phase voltage power grid side

設(shè)在5.2s時(shí)電網(wǎng)電壓發(fā)生突降，降幅為50%，風(fēng)速保持額定風(fēng)速15m/s，通過仿真得到網(wǎng)側(cè)電壓，經(jīng)過0.5s后恢復(fù)到正常電壓，網(wǎng)側(cè)電流通過0.6s也恢復(fù)正常值。說(shuō)明仿真基本實(shí)現(xiàn)低壓穿越的功能。而發(fā)生故障時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)速不變風(fēng)機(jī)輸出功率不變，電網(wǎng)電壓降低，機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)功率不平衡，造成電網(wǎng)電流增加，經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié)恢復(fù)正常工作。

4 結(jié)論

本文主要研究直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越問題，分析電網(wǎng)電壓突變引起功率不平衡，具體采用通過將電網(wǎng)電壓引入電機(jī)側(cè)，控制槳距角實(shí)現(xiàn)低壓穿越。

［1］肖帥，耿華，郭云璐，楊耕.風(fēng)電機(jī)組低壓穿越中的電力電子技術(shù)[J].變頻器世界，2013.

［2］楊曉萍，段先鋒，田錄林.直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，8.