風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)研究

王位俊

引言：風(fēng)能是一種潔凈的能源，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為最具有發(fā)現(xiàn)前景的發(fā)電形式之一，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的形式主要包括永磁同步和雙饋發(fā)電機(jī)，兩種發(fā)電形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文主要分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)。

當(dāng)前在國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中出現(xiàn)數(shù)起風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，為避免大面積脫網(wǎng)帶來的安全隱患，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有低電壓穿越性能維持發(fā)電機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行，本文主要研究風(fēng)力發(fā)現(xiàn)機(jī)組低電壓穿越技術(shù)。

一、低電壓穿越性能的必要性和重要性

對(duì)風(fēng)能的利用研究需要建立高效的風(fēng)機(jī)制造技術(shù)上，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組、直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)組等，其中雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組是最常使用的一種。風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響主要包括電壓閃變、諧波污染、電壓穩(wěn)定性等方面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)配電網(wǎng)會(huì)存在很大的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身所配備的電子裝置、切換頻率等都會(huì)存在很嚴(yán)重的諧波問題。

當(dāng)前風(fēng)機(jī)單機(jī)容量越來越大，受到電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)與風(fēng)機(jī)自身的影響，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)中的很多問題凸現(xiàn)出來，如頻率的穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、無功平衡等，因此風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)劃逐漸提出了低電壓穿越的要求，要求風(fēng)機(jī)能夠在電網(wǎng)電壓跌落情況下維持電網(wǎng)的運(yùn)行，在GB/Z19963-2005中提出風(fēng)電場的繼電保護(hù)中，需要減少并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)間配合低電壓穿越功能。

低電壓穿越性能要求需要滿足國家電網(wǎng)風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則中的要求，避免暫態(tài)電磁沖擊對(duì)電子設(shè)備的危害，在正常運(yùn)行下，盡量為電網(wǎng)提供有功支持，在電壓恢復(fù)期間，要求能夠快速恢復(fù)網(wǎng)點(diǎn)電壓。

二、目前國內(nèi)主力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越性能比較

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型的不同，低電壓穿越性能也存在一定的差異。

2.1雙饋風(fēng)力發(fā)現(xiàn)機(jī)組的低電壓穿越性能

當(dāng)前雙饋風(fēng)力發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一般采用主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路，由電阻、SCR和GTO組成，在發(fā)生電網(wǎng)跌落故障時(shí)，能夠通過Crowber電路的快速啟動(dòng)達(dá)到保護(hù)電路的目的。單行的主動(dòng)式轉(zhuǎn)子Crowber電路可以看做串聯(lián)電阻的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，在電壓跌落到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)子電流與Rcrow的值成反相關(guān)，故障過程中的聲譽(yù)功率能夠通過等效轉(zhuǎn)子阻抗消耗掉，進(jìn)而幫助恢復(fù)電網(wǎng)電壓。

Crowber電路投切控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的電流檢測，在檢測到最高值時(shí)投入Crowber電路，封鎖變流器中的觸發(fā)信號(hào)，若是不封閉觸發(fā)信號(hào)，Crowber電路相當(dāng)于轉(zhuǎn)子側(cè)和變流器的短路，進(jìn)而引起電器的損壞。

影響雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組阻值的因素包括直流母線的電壓電容和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流，在電網(wǎng)電壓跌落期間，轉(zhuǎn)子繞組最大電壓Urmax=Irmaxrc，式中rc代表Crowber電路電路的組織，為避免直流母線出現(xiàn)過電壓，要求Urmax

2.2直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越性能

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，與雙饋性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有更好的無功控制和低電壓運(yùn)行能力方面的優(yōu)勢，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種法同步發(fā)電系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，與電網(wǎng)之間不存在直接耦合。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越保護(hù)策略主要有增加電力電子器件的耐壓值、減少風(fēng)電機(jī)組輸出功率以及增加保護(hù)電路等方式，加電力電子器件的耐壓值能夠在一定程度上緩沖電壓，但是會(huì)大幅度的增加系統(tǒng)成本，因此不適合單獨(dú)采用，增加保護(hù)電路能夠更加快速的相應(yīng)故障，使風(fēng)電系統(tǒng)更快速的投入運(yùn)行。網(wǎng)測變流器加直流控制方案不適合使用在所有的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中。

發(fā)電測板牙器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，永磁同步發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩方程為Te=3P0isq[（Lq-Ld）isd+Ψf]，式中P0代表發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。在直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組中，定子極對(duì)數(shù)和永磁體磁鏈均是固定的，Ld=Lq，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te=3P0isqΨf/2。機(jī)測變流器采用雙閉環(huán)控制，正常工作下最大風(fēng)能給定值確定發(fā)電機(jī)組有功功率，在故障情況下，發(fā)電機(jī)組有功功率由電網(wǎng)電壓和最大風(fēng)能確定。網(wǎng)測的脈寬調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)控制單位功率因數(shù)，經(jīng)過電網(wǎng)電壓矢量定向，有功功率Pg=ugdigd，無功功率Qg=-ugdigd，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)解耦控制，功率變化與軸電壓存在關(guān)系。在穩(wěn)態(tài)情況下，電網(wǎng)僅需要變流器注入有功功率，在暫態(tài)情況下，優(yōu)先輸出無功電流。

電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，網(wǎng)測變流器為了維持直流電壓就會(huì)增加輸出電流，進(jìn)而導(dǎo)致有功功率大幅度下降，若是發(fā)電機(jī)組有功功率不變，會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電容的輸出功率和輸入功率不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致電壓的升高，因此需要減少發(fā)電機(jī)組處理，提高系統(tǒng)的低電壓穿越功能。為驗(yàn)證低電壓穿越控制策略，仿真電網(wǎng)電壓不同深度跌落，在4s時(shí)機(jī)端出現(xiàn)電壓跌落故障，5s后電壓回復(fù)。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越性能發(fā)展趨勢

電壓跌落期間，直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越性能主要集中在直流電壓的上升方面，采取的措施主要是解決多余的能量問題，采取的辦法包括變流器的設(shè)計(jì)、額外能量的消耗等，選擇具有更寬耐壓和過流值范圍的電子器件提高額定電壓，這種方法比較適合使用在短時(shí)的電壓跌落故障中。減小發(fā)電功率能偶使用在故障不嚴(yán)重的情況下，可以配合增加器件容量來提高穿越裕度。雙饋發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越性能實(shí)現(xiàn)比較困難，有研究采用定子磁化電流的過程，修正模型動(dòng)態(tài)量，比較常見的控制策略包括定子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、轉(zhuǎn)子crowbar策略、短暫中斷策略等。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)要求會(huì)極大地增加風(fēng)力發(fā)電成本，因此并不能一直嚴(yán)格要求低電壓穿越技術(shù)特型曲線，針對(duì)接入點(diǎn)短路容量大的強(qiáng)系統(tǒng)，并不需要多強(qiáng)的低電壓穿越技術(shù)能力，因此需要慎重考慮低電壓穿越技術(shù)要求。

結(jié)束語

綜上所述，本文主要研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)結(jié)構(gòu)龐大的系統(tǒng)，在接入電網(wǎng)后首先需要考慮發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，通過軟硬件的控制方法來提高電機(jī)的低電壓穿越能力。

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（作者單位：中國水利電力物資有限公司）