Crowbar在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)國家電網(wǎng)的風(fēng)電場接入技術(shù)的規(guī)定，風(fēng)電場應(yīng)具備外部電壓故障下不間斷運行能力，即電網(wǎng)故障時風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能保持與電網(wǎng)連接并向系統(tǒng)不間斷供電。為保護(hù)轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機(jī)組，常采用Crowbar保護(hù)電路來限制電壓跌落時轉(zhuǎn)子回路的最大電流。本文研究了電網(wǎng)電壓跌落時，雙饋發(fā)電機(jī)組的運行行為，通過實驗驗證了Crowbar保護(hù)電路的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；Crowbar；低電壓穿越；

1 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電在各國發(fā)展迅速。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)比例的增加，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行越來越受到國家的重視。對于變頻恒速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，由于與其配套的電力電子變流設(shè)備屬于AC/DC/AC型，容易在其轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生峰值涌流，損壞變流設(shè)備，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。如果大量的風(fēng)電機(jī)組因電網(wǎng)跌落故障同時脫網(wǎng)，就會造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定，甚至崩潰。為了維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，世界各國電網(wǎng)運營商都推出了各自風(fēng)電并網(wǎng)低電壓穿越（LVRT）導(dǎo)則。在我國，風(fēng)電機(jī)組有無低電壓穿越能力已成為風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)入門檻。對于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運的風(fēng)電場，需要進(jìn)行機(jī)組改造工作，以具備低電壓穿越能力。因此，在電網(wǎng)故障情況下的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力現(xiàn)在已成為研究的熱點。

目前，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）占據(jù)著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的主導(dǎo)地位，國內(nèi)外對DFIG的低電壓穿越能力研究較多。針對電壓跌落瞬間的過電流和過電壓，雖然可以通過控制算法從軟件上來抑制，但是其控制效果依靠變流器容量及電機(jī)參數(shù)等因素，且控制效果有限。

2 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力要求

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)電場需維持一段時間與電網(wǎng)連接不脫網(wǎng)，甚至要求風(fēng)電場在這一過程中能過提供無功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，即低電壓穿越。由中國電科院為主要起草單位編寫的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》已于2011年正式發(fā)布，其內(nèi)容對風(fēng)電場低電壓穿越能力進(jìn)行了明確規(guī)定：

a） 風(fēng)電場內(nèi)并網(wǎng)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。

b） 風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越要求的規(guī)定

如圖1所示為對風(fēng)電場的低電壓穿越要求，風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切除。

對故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在故障切除后快速恢復(fù)，需要以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

3 Crowbar保護(hù)電路的應(yīng)用

在轉(zhuǎn)子側(cè)增加Crowbar保護(hù)電路是雙饋機(jī)型中常用的方法，目前采用的是主動保護(hù)的方式，即增加Active Crowbar部分。Crowbar保護(hù)電路一般安裝在是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻柜內(nèi)，是實現(xiàn)低電壓穿越的必備裝置?，F(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有兩種主流機(jī)型：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別和工作方式的不同，Crowbar保護(hù)電路的設(shè)計有較大差別。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子繞組的過電壓和過電流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障，在定子電壓中會含有負(fù)序分量，負(fù)序分量可以產(chǎn)生很高的滑差，使得轉(zhuǎn)子過電壓和過電流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重。迅速增加的轉(zhuǎn)子側(cè)電流會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)勵磁變流器的電流、有功功率和無功功率都會產(chǎn)生振蕩。

4 低電壓穿越實驗

國家標(biāo)準(zhǔn)要求低電壓穿越測試需要分別在大風(fēng)速和小風(fēng)速兩種風(fēng)況下進(jìn)行測試，并且電網(wǎng)電壓跌落需要分由兩相短路和三相短路兩種故障情況引起，測試點為電網(wǎng)電壓跌落20%、35%、50%、75%、90%幾種情況。本實驗選用大風(fēng)速下由電網(wǎng)三相短路引起電壓跌落90%的情況，低電壓穿越實驗地點是為內(nèi)蒙古某風(fēng)場，實驗風(fēng)機(jī)為1.5MW雙饋風(fēng)機(jī)。

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowbar裝置后，為保證機(jī)組穩(wěn)定運行，不發(fā)生功率振蕩，需要同時降低機(jī)械轉(zhuǎn)矩，即低電壓穿越開始時要改變槳葉角度。電網(wǎng)電壓跌落前，風(fēng)速21m/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1800rpm，風(fēng)機(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)；電網(wǎng)電壓跌落時，低電壓穿越開始，主控發(fā)出指令，命令槳葉適當(dāng)收槳。

在低電壓穿越過程中，從變頻器監(jiān)控軟件中讀取的曲線，如圖2所示，監(jiān)控的曲線依次為1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）、2定子電流（A）、3定子電壓（V）、4轉(zhuǎn)子電流（A）、5轉(zhuǎn)子電壓（V）、6有功功率（kW）。

圖2 電網(wǎng)電壓跌落90%時變頻器主要參數(shù)監(jiān)控曲線

在此低電壓穿越過程中，風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)連續(xù)運行；自電壓恢復(fù)時刻開始，有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至實際風(fēng)況對應(yīng)出力。因此，大風(fēng)速下由電網(wǎng)三相短路引起電壓跌落90%時，該風(fēng)機(jī)可成功實現(xiàn)低電壓穿越。

5 結(jié)論

本文討論了對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)及要求，分析了Crowbar保護(hù)電路的原理，在添加Crowbar保護(hù)電路的同時，還對風(fēng)電機(jī)組控制策略進(jìn)行了調(diào)整，使其功率避免有大波動。通過現(xiàn)場實驗研究了電網(wǎng)電壓跌落時采用Crowbar保護(hù)電路的雙饋發(fā)電機(jī)組的運行行為，實驗結(jié)果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，驗證了Crowbar保護(hù)電路的有效性。

[1]耿華.新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]朱永強(qiáng).風(fēng)電場無功補(bǔ)償與電壓控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]周鵬.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

作者簡介：周四平（1978.9-），男，工程師。