風(fēng)力發(fā)電機組的低壓穿越能力探討

陳少陽

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例的迅速增加，如何滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為一個日益突出的問題。低電壓穿越技術(shù)是一個代表性的強制性并網(wǎng)要求，特別是在一些歐洲風(fēng)力發(fā)電大國和美國也是如此。在該文中，分析和比較低電壓穿越不同國家的要求，主要的競爭對手。在此基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電機組的低壓穿越能力探討。

關(guān)鍵詞：低電壓穿越 變流器 DFIG 直驅(qū) 短路器 電網(wǎng)接入技術(shù) 能力探討

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0108-02

在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的初級階段，電網(wǎng)中的風(fēng)電功率很小，因此不需要參與電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。當電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，由于風(fēng)電場本身的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性無法保證，通常采用風(fēng)力發(fā)電機，以保證風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全。

在風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例迅速增加。因此，滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求的同時，避免供電中斷已成為風(fēng)電行業(yè)面臨的主要問題。2003，德國電力工業(yè)巨頭E.ON Netz公司發(fā)布了一個強制性的風(fēng)電并網(wǎng)的要求。一旦電網(wǎng)需要一個故障，風(fēng)電場必須保持在電網(wǎng)運行中的電網(wǎng)電壓恢復(fù)。在同一時間，風(fēng)力發(fā)電機組能夠支持電網(wǎng)電壓。

1 關(guān)于低電壓穿越的現(xiàn)有標準情況

風(fēng)力發(fā)電機組必須符合一定的標準，以連接到電網(wǎng)。這些標準通常是由電力系統(tǒng)運營商制定的。更重要的標準之一是低電壓穿越。

低電壓穿越是電力傳輸系統(tǒng)故障時的情況，而不是變電站的情況。不同國家的低電壓穿越能力不同。此外，故障清除時間的要求是不一樣的。

1.1 2003版網(wǎng)絡(luò)公司E.ON標準

2003年初，德國utility & transmission operator-E.ON發(fā)布的一個風(fēng)力發(fā)電機的要求是連接110kV甚至更高電壓等級。該標準規(guī)定，由于三相短路和電網(wǎng)電壓的150ms網(wǎng)絡(luò)的電壓降不能恢復(fù)到80%的額定電壓。排除故障后，必須立即輸出有功功率，至少20%的額定功率。除了上面提到的要求功率的增長率，20 ms內(nèi)發(fā)電機必須被發(fā)送到支持電網(wǎng)故障后確認（電網(wǎng)電壓下降1%，2%的無功功率）。這一要求是沒有充分發(fā)展的，它被假定的故障的交叉是最嚴重的情況，從電網(wǎng)穩(wěn)定的角度來看，是相對稱故障。

1.2 2006版E.ON Netz GmbH標準

在2005年德國電力系統(tǒng)運營商，研究風(fēng)力發(fā)電機組制造商和德國風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，操作和電網(wǎng)擴展的進一步發(fā)展的幾個研究機構(gòu)進行了更詳細的研究。這項研究的結(jié)果是發(fā)布的新版并網(wǎng)標準。

該公司新標準建立了風(fēng)電場不能滿足電網(wǎng)連接的風(fēng)電場的標準。標準的目的是讓風(fēng)扇能夠抵抗電壓降，避免電網(wǎng)故障。干擾電壓和干擾中，典型的固定的速度感應(yīng)發(fā)電機在任何瞬時無功率損耗必須完成在400ms，可以按照上面提到的電壓支持。

另E.ON公司頒布了兩低電壓穿越標準根據(jù)不同的發(fā)電站。一種是傳統(tǒng)火電站，另一種是非常規(guī)電站，其中包括風(fēng)電機組。

對于一個清除時間為150 ms、3相短路的故障在發(fā)電站整個工作范圍內(nèi)不應(yīng)當引起電網(wǎng)不穩(wěn)定也不能脫網(wǎng)。

當上面提到的同步發(fā)電機組直接連接到電網(wǎng)的情況下，它是另一種電站（包括風(fēng)輪機）。當電網(wǎng)故障位于電站外的故障時，不能取下網(wǎng)絡(luò)。

1.3 低電壓穿越要求的比較分析

低電壓穿越風(fēng)電機組的標準要求，不僅不能在這樣的暫態(tài)故障狀態(tài)下進行電網(wǎng)的供電。有的標準在風(fēng)電場中提供無功功率，而其他標準只需要在暫態(tài)過程中不消耗功率不。有一些標準，確定這些要求適用于3個相對對稱的電壓或非對稱電壓（因為有可能是一個單一的相對傳輸線故障），和其他標準是沒有這樣的問題的一個明確的解釋。

現(xiàn)有的低電壓穿越標準的通用電氣風(fēng)能。每一個標志線代表我們研究國家電網(wǎng)最嚴格的標準要求。有一些線段是限位的情況下，在正常情況下是那些傳統(tǒng)發(fā)電機組不能滿足。

NGC（國家電網(wǎng)公司-英格蘭和威爾士的電力系統(tǒng)運營商）標準和公司標準的比較。他們之間有兩個主要區(qū)別：E.on標準的電壓跌落維持時間更為苛刻嚴格（NGC線下面的紅色線）以及NGC標準要穿越的電壓降落更為嚴格苛刻-下降到0（對應(yīng)E.ON的15%）。

給出了NGC標準和愛爾蘭跨斷層標準的比較。同樣的問題在E.ON兩發(fā)現(xiàn)也可以在這里找到。這是高壓電網(wǎng)零電壓故障的要求，以及長時間電壓降的相對松散的要求（相對于愛爾蘭風(fēng)電并網(wǎng)）。與E.ON標準比較，同樣的結(jié)論也適用于這里。有一點要注意的是，愛爾蘭的標準適用于110kV電網(wǎng)連接的風(fēng)電場。在愛爾蘭的標準電壓降比國家標準更嚴格。愛爾蘭網(wǎng)格標準覆蓋110kV電網(wǎng)及其修訂標準考慮了電網(wǎng)的薄弱部位。

2 低電壓穿越能力探討

雙饋發(fā)電機和全功率變流器是市場上最流行的2種變速風(fēng)力機模型。圖1雙饋系統(tǒng)和全動力系統(tǒng)的比較。在雙饋發(fā)電機，定子和電網(wǎng)的直接連接。這種情況下的定子的動態(tài)特性是不理想的。如果在齒輪箱的情況下不使用電力系統(tǒng)，它是我們常說的直接驅(qū)動裝置。完整的電力系統(tǒng)，實現(xiàn)了機組和電網(wǎng)的完全解耦。單元與電網(wǎng)之間的完全解耦是通過優(yōu)化方案滿足低電壓穿越的要求，這是由于電網(wǎng)在轉(zhuǎn)矩和電流控制中的故障比較容易控制的。此外，通過一個更深入的分析的成本，我們發(fā)現(xiàn)，雙饋系統(tǒng)的成本優(yōu)勢，將不再是如果我們考慮所有的成本因素。

2.1 全功率變換風(fēng)力發(fā)電機組

實現(xiàn)變速風(fēng)力發(fā)電機的一種方法是使用全功率變換器。全功率變換是通過全功率變換器對電網(wǎng)的所有功率的發(fā)電機。電壓源換流器可以滿足要求的故障交叉性能，因為風(fēng)力發(fā)電機組通過直流母線實現(xiàn)隔離的電網(wǎng)和電網(wǎng)不會受到嚴重影響的短路。一旦發(fā)生故障，電網(wǎng)側(cè)變流器限制了有功功率輸出，并通過向電網(wǎng)注入無功功率來支持電壓。在電纜和直流母線電容器的分布中，將發(fā)電容量存儲在直流母線電容器中，從而導(dǎo)致直流母線電壓的上升。一旦電壓上升到閾值以上，該轉(zhuǎn)換器將限制有功功率的發(fā)電能力，因此，能源是暫時儲存在風(fēng)扇葉輪中，它可能會導(dǎo)致葉輪開始加速。一旦故障被清除，無功功率的支持作用逐漸成為不必要的，并且隨著所需的功率的增加，有功功率的輸出將逐漸增加。當風(fēng)力發(fā)電機組繼續(xù)工作后，故障已被清除。

當?shù)碗妷菏鹿?，送風(fēng)機功率不能完全送入電網(wǎng)，特別是當故障與風(fēng)電場比較接近時。所以我們需要管理能量，直到電壓恢復(fù)正常工作。一種方法是簡單地把能量消耗在電阻負載上。

變速風(fēng)力發(fā)電機的全功率變流器通常采用（永磁同步）同步發(fā)電機。發(fā)電機通過一個并網(wǎng)的后端轉(zhuǎn)換器。直流回路是由兩個轉(zhuǎn)換器解耦的，可單獨控制。發(fā)電機側(cè)變流器控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速正常運行，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。整流器的能量被送到直流母線上。電網(wǎng)側(cè)變流器將直流母線供電網(wǎng)絡(luò)。發(fā)電機側(cè)變流器決定了系統(tǒng)的總功率，逆變器供電的電網(wǎng)。圖2（a）是轉(zhuǎn)換器的控制結(jié)構(gòu)。

電網(wǎng)中的故障會使變頻器端電壓降，而且由于電流是有限的，會導(dǎo)致逆變器供電電網(wǎng)的能量會降低，直流母線電壓會增加。為了避免直流母線電壓過高，應(yīng)采用電網(wǎng)側(cè)變流器的控制。通過引用最大功率輸入到電網(wǎng)。使用電機側(cè)變流器的功率控制整流器的功率，以避免直流母線電壓過高?？刂平Y(jié)構(gòu)圖2（b）所示。由于供應(yīng)減少直流母線供電，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速將增加。為了避免風(fēng)力渦輪機過快的速度，通過變槳來減少輸入的機械功率有可能是十分必要的。然而，這是一個非常緩慢的過程，所以發(fā)電機的速度很可能繼續(xù)增加在一定時期內(nèi)。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組（DFIG）

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障中由于在定子電流浪涌浪涌引起的轉(zhuǎn)子電路和變頻器的沖擊下，承受更高的流量沖擊。為了避免損壞電氣和機械零件，風(fēng)機應(yīng)當脫網(wǎng)。然而，這種解決方案是不可取的，特別是對電網(wǎng)穩(wěn)定問題造成的電網(wǎng)干擾的時間短的情況下。因此，需要一些主動保護系統(tǒng)。

該變換器不同于直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機組。該轉(zhuǎn)換器是連接在定子和電網(wǎng)之間，和該轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)連接。電壓暫降性能是變頻器的電壓幅度。為了保證在電網(wǎng)中的恒定功率，電流將增加。然而，電流應(yīng)受到電流控制器的限制，以避免轉(zhuǎn)換器的過載。因此，這就限制了電壓跌落時雙饋風(fēng)機能量饋入電網(wǎng)。風(fēng)機端部的電壓降落會導(dǎo)致DFIG的定子繞組振蕩電流。檢測到轉(zhuǎn)子側(cè)的故障電流，轉(zhuǎn)子電路和轉(zhuǎn)換器也將流過大的振蕩電流。大電流會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的熱擊穿。通過短路，該轉(zhuǎn)換器可以避免損壞轉(zhuǎn)換器。然而，由于短路的出現(xiàn)，直流母線電壓不向上或向下，這取決于發(fā)電機工作在二或同步狀態(tài)。此外，由于輸出和輸入機械功率饋風(fēng)機的電網(wǎng)不平衡，有時會加速風(fēng)。這使DFIG的低電壓穿越更復(fù)雜，它似乎比直接耦合的感應(yīng)電機直接驅(qū)動技術(shù)更困難。

雙饋電機實現(xiàn)低電壓穿越的方法之一是使用短路。該轉(zhuǎn)子是暫時短路，以保護轉(zhuǎn)換器，然后發(fā)電機以保持電網(wǎng)故障達到故障清除，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器被重新激活。如果發(fā)電機在狀態(tài)的狀態(tài)，情況是更復(fù)雜的。這是因為短路斷路器會將轉(zhuǎn)子繞組短路。然而，在這種情況下，電機需要從轉(zhuǎn)子側(cè)的功率吸收。該發(fā)電機的工作原理類似于異步發(fā)電機的二次同步狀態(tài)，以加速超同步狀態(tài)。即使在有源短路，直流母線可能需要增加直流母線電容，以穩(wěn)定直流母線電壓和恢復(fù)后的故障間隙的有功功率。

雖然這種方法似乎比較簡單和成本效益，但在很大程度上取決于實際性能的初始運行狀態(tài)和故障特征。對繞線式異步發(fā)電機的短路是鼠籠式發(fā)電機，和籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機的操作是不相同的。當短路斷路器被拆除時，暫態(tài)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的初始化控制和同步是很復(fù)雜的，可能會導(dǎo)致保護設(shè)備的啟動。

Niiranen（2004年）提出了幾個短斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)，如反并聯(lián)晶閘管短路，半控晶閘管橋斷路器和二極管橋式電路斷路器。轉(zhuǎn)子相電流通過二極管和IGBT整流橋晶閘管或是用來控制短路。短路是由一個與轉(zhuǎn)子和一個晶閘管與一個電阻的電流rcrow系列二極管整流橋。當直流母線電壓Udc達到最大值或轉(zhuǎn)子電流達到極限值時，轉(zhuǎn)子與DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器從轉(zhuǎn)子側(cè)變換器分離，連接短路。該轉(zhuǎn)子在主電路和斷路器之間連接，直到定子和電網(wǎng)斷開。當電網(wǎng)故障排除后，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的啟動，定子與電網(wǎng)連接的同步發(fā)電機后。上面描述的轉(zhuǎn)子過流保護稱為無源短路。

同樣的拓撲結(jié)構(gòu)也可用于低電壓穿越特性的有源短路斷路器。與傳統(tǒng)的無源電路相比，有源短路是由半導(dǎo)體器件實現(xiàn)的。這種短路切斷短路電流所需的轉(zhuǎn)子，使機組能通過電網(wǎng)。如果轉(zhuǎn)子電流或直流環(huán)節(jié)電壓達到極限，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的IGBT受阻。在短路斷路器的過程中，檢測電路的電阻電壓和直流母線電壓。當上述兩個電壓足夠低，短路斷路器的去除。經(jīng)過短時間的延遲，轉(zhuǎn)子電流減小，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，無功功率輸出支持電網(wǎng)。

參考文獻

[1] Helge Wittholz，David Pan.A study of supply-chain capabilities in the Canadian wind power industry[J].2004（11）.

[2] Willi Christiansen，David T.Johnsen.Analysis of requirements in selected grid codes[J].2006（1）.

[3] R.P.S.Le？o，T.Degner，F(xiàn).L.M.Antunes.An overview of the integration of large-scale wind power into the electric power system[J].

[4] Michael R.Behnke，William L. Erdman.Impact of past， present and future wind turbine technologies on transmission system operation and performance[J].2006（3）.

[5] Slavomir Seman. Transient performance analysis of wind-power induction generators，Doctoral Dissertation，Helsinki University of Technology[J].2006（11）.

[6] Niklas Strath.Islanding detection in power systems，Licentiate thesis[J].Lund University，2005.

[7] NB/T-2013.風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越能力測試規(guī)程[S].2013.

[8] GB/T-19963-2011.風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].2011.