雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)發(fā)展綜述

羅普

(國(guó)電電力山東新能源開發(fā)有限公司,山東煙臺(tái) 264000)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)發(fā)展綜述

羅普

(國(guó)電電力山東新能源開發(fā)有限公司,山東煙臺(tái) 264000)

本文在參閱大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了Crowbar電路和改進(jìn)雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略的原理和特點(diǎn),介紹了目前低電壓穿越常用方法,對(duì)它們的原理、研究的意義、不足之處進(jìn)行了全面客觀的分析評(píng)價(jià),提出了在研究Crowbar電路時(shí)存在的問(wèn)題,介紹了改進(jìn)勵(lì)磁控制策略最新的進(jìn)展,提出了自己的想法,即“軟硬無(wú)結(jié)合”的策略,最后對(duì)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了說(shuō)明。

雙饋發(fā)電機(jī) 低電壓穿越 Crowbar 改進(jìn)勵(lì)磁控制策略 軟硬無(wú)結(jié)合策略

1 引言

正雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)作為目前的主流風(fēng)電機(jī)型之一，采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，具有變流器容量較小、風(fēng)能利用效率高、有功和無(wú)功可獨(dú)立解耦控制的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但是由于其定子直接和電網(wǎng)相連、轉(zhuǎn)子的變頻器容量較小只能對(duì)發(fā)電機(jī)提供部分控制，而且對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)及故障非常敏感，當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，其定子側(cè)有功功率不能及時(shí)送出會(huì)引起電機(jī)磁鏈振蕩以及轉(zhuǎn)子過(guò)壓和定轉(zhuǎn)子過(guò)流，該電流中含有大量的直流分量并切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，此時(shí)如果沒(méi)有及時(shí)采取保護(hù)措施，過(guò)大的電壓和電流將可能損壞雙饋?zhàn)兞髌?，進(jìn)而形成系統(tǒng)保護(hù)性切機(jī)，導(dǎo)致嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)[5]風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故不可避免。

近年來(lái)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故的頻發(fā)，說(shuō)明并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力較弱，且故障期間未能有效地提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。一旦大量風(fēng)電機(jī)組被切除，系統(tǒng)潮流會(huì)發(fā)生嚴(yán)重轉(zhuǎn)移造成局部電網(wǎng)的有功缺額[19]，電網(wǎng)電壓和頻率均受到影響，使得系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，并可能造成局部甚至是系統(tǒng)全面癱瘓[3-4]。解決DFIG的低電壓穿越問(wèn)題是目前風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中需要解決的重要課題[3]。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型見文獻(xiàn)[6]。

2 低電壓穿越的概念

低電壓穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)，又叫低電壓過(guò)渡，是指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)電壓，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間，可大大減少風(fēng)電機(jī)組在故障時(shí)反復(fù)并網(wǎng)次數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。也就是說(shuō)在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

LVRT的提出主要是基于有功功率平衡的考慮，它是電力系統(tǒng)功率平衡與頻率穩(wěn)定的需要，也是局部電網(wǎng)電壓穩(wěn)定及電壓恢復(fù)的需要。當(dāng)前，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)低電壓穿越問(wèn)題常見的有兩大類方法：

(1)硬件方法：轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(Crowbar電路)。增加硬件電路，例如Crowbar電路、動(dòng)態(tài)電阻、網(wǎng)側(cè)電壓無(wú)功補(bǔ)償裝置等，其中Crowbar電路保護(hù)方案最為常見。

(2)軟件方法：改進(jìn)DFIG勵(lì)磁控制策略。

目前雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT常采用的方案[9]是：電網(wǎng)電壓跌落較小時(shí)，通過(guò)改變DFIG的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的不間斷運(yùn)行；電網(wǎng)電壓跌落較大時(shí)，采用增加額外硬件設(shè)備來(lái)抑制DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)瞬間能量浪涌，保護(hù)變流器。

3 Crowbar電路

3.1 Crowbar電路原理

轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(Crowbar電路)，通常稱為撬棒技術(shù)，實(shí)質(zhì)是通過(guò)功率開關(guān)連接在轉(zhuǎn)子側(cè)的旁路電阻電路，如圖1所示，是較早用于DFIG轉(zhuǎn)子變流器短路保護(hù)的技術(shù)[7]。該方法在故障期間投入旁路電路將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器短路，通過(guò)增加轉(zhuǎn)子繞組電流的流通路徑保證變流器避開過(guò)電流的沖擊，來(lái)降低過(guò)電流對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的影響[8]。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴(yán)重跌落時(shí)，該電路投入運(yùn)行。

Crowbar電路工作原理是在外部系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，DFIG定子電流增加，定子電壓和磁通突降，在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的電流。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器直接串連在轉(zhuǎn)子回路上，為了保護(hù)變流器不受損失，在轉(zhuǎn)子側(cè)裝設(shè)轉(zhuǎn)子短路器Crowbar電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子繞組電流和直流側(cè)母線電壓，一旦檢測(cè)到電網(wǎng)電壓驟降超過(guò)預(yù)先設(shè)定值，Crowbar電路被激活，短接轉(zhuǎn)子繞組以旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器退出運(yùn)行，電流從旁路電阻流通，讓電阻消耗掉多余的功率；電網(wǎng)側(cè)變流器及定子側(cè)仍與電網(wǎng)相連。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)到允許范圍內(nèi)時(shí)，則退出撬棒電路，轉(zhuǎn)子繞組重新接回轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，以維持DFIG的不脫網(wǎng)運(yùn)行。

Crowbar電路分為被動(dòng)式Crowbar和主動(dòng)式Crowbar[36]。其區(qū)別就在于使用的開關(guān)器件是否可控關(guān)斷。被動(dòng)式Crowbar的開關(guān)器件使用晶閘管SCR，即所謂的“晶閘管(SCR)”撬棒[33]。主動(dòng)式Crowbar的開關(guān)器件使用IGBT、GTO等可關(guān)斷器件。采用被動(dòng)式時(shí)，當(dāng)需要切除Crowbar時(shí)，并不能立即切除，必須要等到電流過(guò)零才能切除。這就有可能延長(zhǎng)Crowbar的在線時(shí)間，這對(duì)于低電壓穿越是不利的。而采用被動(dòng)式則可以瞬時(shí)切除電路，有利于提高LVRT的能力[12]，有鑒于此，主動(dòng)式Crowbar成為主流之選。

3.2 Crowbar電路優(yōu)缺點(diǎn)

Crowbar電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)Crowbar電路原理簡(jiǎn)單易于控制；(2)在故障過(guò)程中可以確保勵(lì)磁變頻器的安全，加快故障電流的衰減，能夠很好的保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)；(3)可以解決電網(wǎng)電壓跌落時(shí)引起的轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流和直流側(cè)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

Crowbar電路具有以下缺點(diǎn)：(1)在電路投入期間，轉(zhuǎn)子繞組被短接，DFIG處于異步運(yùn)行狀態(tài)，成為一個(gè)消耗感性無(wú)功的負(fù)載，需從電網(wǎng)側(cè)吸收無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁，無(wú)法對(duì)故障的電網(wǎng)電壓提供支撐，阻礙故障切除后電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，導(dǎo)致電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)一步惡化[11]；(2)需要增加新的保護(hù)裝置，從而增加了系統(tǒng)成本；(3)傳統(tǒng)的Crowbar保護(hù)電路的投切操作會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊；(4)DFIG不同運(yùn)行狀態(tài)間的切換，需要較為復(fù)雜的控制邏輯，否則可能會(huì)引起較大的振蕩過(guò)程；(5)Crowbar可能會(huì)在恢復(fù)過(guò)程中再次啟動(dòng)，這樣就更增加了恢復(fù)時(shí)間；(6)Crowbar的投入和切除時(shí)刻選擇較難，選擇不當(dāng)將一方面引起Crowbar多次動(dòng)作，另一方面可能引起大電流沖擊。

3.3 Crowbar技術(shù)還需解決的問(wèn)題

Crowbar電路方面存在的問(wèn)題有：

(1)目前在用的Crowbar電路對(duì)于非對(duì)稱故障的作用比較有限，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力考核已從對(duì)稱跌落故障擴(kuò)展到不對(duì)稱跌落故障，同時(shí)對(duì)稱跌落時(shí)還要求風(fēng)電機(jī)組在故障期間能迅速向電網(wǎng)注入持續(xù)、穩(wěn)定的無(wú)功電流，這使現(xiàn)有裝備Crowbar裝置的DFIG風(fēng)電機(jī)組將無(wú)法滿足這一要求。研究更為先進(jìn)的主動(dòng)式Crowbar裝置[25]以及研究在非對(duì)稱故障條件下的低電壓穿越問(wèn)題具有實(shí)際意義。

(2)Crowbar 電路在不同運(yùn)行狀態(tài)間切換會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程，尤其是在電壓恢復(fù)過(guò)程中，Crowbar的退出將會(huì)加劇過(guò)渡過(guò)程，對(duì)Crowbar切換過(guò)程的暫態(tài)分析同樣具有實(shí)際意義。

(3)實(shí)際的低電壓穿越效果嚴(yán)重依賴于風(fēng)電系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行條件和電網(wǎng)故障特征，如何有效配合各投切邏輯，成為急需解決的問(wèn)題。

(4)Crowbar旁路電阻的取值問(wèn)題，是一個(gè)最優(yōu)問(wèn)題，因?yàn)榕月冯娮杓纫銐虼笠员苊庾兞髌髦绷鱾?cè)過(guò)電壓，又要足夠小以有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流，因此確定旁路電阻值時(shí)應(yīng)綜合考慮。

4 調(diào)整DFIG勵(lì)磁控制策略

4.1 改進(jìn)DFIG勵(lì)磁控制策略的原理

所謂改進(jìn)DFIG勵(lì)磁控制策略，是指在電壓跌落深度較小時(shí)，不增加硬件設(shè)備的條件下，通過(guò)改進(jìn)控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG的LVRT方法。需注意的是，勵(lì)磁控制算法比較適合于較小的跌落。

傳統(tǒng)的DFIG勵(lì)磁控制是基于定子磁場(chǎng)定向或定子電壓定向的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，一般采用PI調(diào)節(jié)器[3]，具有一定的抗干擾能力。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)較大幅度的跌落時(shí)，PI調(diào)節(jié)器容易出現(xiàn)輸出飽和，難以回到有效調(diào)節(jié)狀態(tài)，使電壓下降和恢復(fù)之后的一段時(shí)間內(nèi)，DFIG實(shí)際上處于非閉環(huán)的失控狀態(tài)。為了克服傳統(tǒng)矢量控制的缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者提出了很多改進(jìn)控制策略。

4.2 改進(jìn)DFIG勵(lì)磁控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)

僅改變策略程序，不需增加額外的硬件電路，可降低實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障穿越的成本，經(jīng)濟(jì)性較好，靈活性好。當(dāng)電壓跌落比較嚴(yán)重時(shí)，勵(lì)磁控制策略不能解決變流器過(guò)電壓的問(wèn)題.因此勵(lì)磁控制策略并不適用于嚴(yán)重電壓跌落情況。

5 低電壓穿越的研究現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)

目前針對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)改進(jìn)勵(lì)磁控制技術(shù)正受到廣泛關(guān)注和研究，特別是考慮各種因素，將不同策略進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出綜合性的控制策略，盡可能提高LVRT的能力。如根據(jù)電壓跌落深度調(diào)整有功和無(wú)功參考值的自適應(yīng)控制策略及低電壓穿越方案，具有較好的發(fā)展前景。隨著風(fēng)電并網(wǎng)和運(yùn)行要求的提高，所提出的改進(jìn)控制策略的條件更加苛刻：所采取的對(duì)策應(yīng)具備各種故障類型下的有效性；控制策略須滿足對(duì)不同機(jī)組、不同參數(shù)的適應(yīng)性；工程應(yīng)用中須在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下盡量少地增加成本等。

有學(xué)者目前在做雙饋風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)特性分析，從定量仿真分析角度去揭示雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在故障發(fā)生、切除全過(guò)程中的暫態(tài)響應(yīng)特性。另一方面是DFIG在不對(duì)稱電網(wǎng)故障下的控制策略的研究。

我認(rèn)為，應(yīng)提出“軟硬無(wú)結(jié)合”的方法，即在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行或電壓小幅跌落時(shí)使用一種常規(guī)的勵(lì)磁控制策略，而在電網(wǎng)故障電壓跌落較大時(shí)加裝硬件電路的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)軟、硬件協(xié)調(diào)配合控制，同時(shí)整個(gè)過(guò)程中都裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以實(shí)現(xiàn)無(wú)功支撐增加暫態(tài)穩(wěn)定性，將有利于提高DFIG的低電壓穿越的能力。需要研究的問(wèn)題是如何確定電壓大跌落與小跌落的界限以及設(shè)備間的配合問(wèn)題。

基于超級(jí)電容器(SC)儲(chǔ)能的DVR(簡(jiǎn)稱SC—DVR)來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG電壓穿越的協(xié)調(diào)控制策略的新想法，其原理是在電網(wǎng)電壓故障期間，SC—DVR對(duì)DFIG端口電壓進(jìn)行完全補(bǔ)償，使得其端口電壓始終維持在正常水平，并吸收或者輸出有功功率，以實(shí)現(xiàn)DFIG輸出有功功率和電網(wǎng)吸收有功功率間的功率平衡。研究的意義在于在故障過(guò)程中能有效地抑制直流側(cè)過(guò)電壓，并能由網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)。

受動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的啟發(fā)而提出的采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的新型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓穿越，具有優(yōu)良的低電壓穿越(LVRT)能力，是一種先進(jìn)的LVRT技術(shù)。但此類研究還處于起步階段，國(guó)內(nèi)外研究均較少[4]。

今后該技術(shù)將會(huì)圍繞以下幾個(gè)方面展開研究：針對(duì)各種電網(wǎng)故障情況的DFIG改進(jìn)控制策略將是未來(lái)低電壓穿越技術(shù)研究的重點(diǎn)；現(xiàn)有的DFIG及勵(lì)磁變頻器的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型尚不夠精確，構(gòu)建包含保護(hù)裝置(如Crowbar)在內(nèi)的DFIG系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，將成為L(zhǎng)VRT技術(shù)研究的重要內(nèi)容；研制各種低成本、高可靠性、控制簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置，以確保嚴(yán)重故障下DFIG特別是勵(lì)磁變頻器的安全，是低電壓穿越成功與否的關(guān)鍵；研究電網(wǎng)故障下的快速無(wú)功補(bǔ)償策略和相關(guān)的電力電子穩(wěn)壓裝置，減小電壓驟降對(duì)DFIG機(jī)組的沖擊，并利用DFIG幫助穩(wěn)定及恢復(fù)故障電網(wǎng)電壓，是一種可行的先進(jìn)控制思想。

6 結(jié)語(yǔ)

單純的改變其控制策略雖然成本低，但對(duì)低電壓穿越的能力提升有限，這種局限性可以通過(guò)Crowbar電路來(lái)彌補(bǔ)，同時(shí)用靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供無(wú)功支撐，實(shí)現(xiàn)“軟硬無(wú)的結(jié)合”優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更有利于DFIG的低電壓穿越。由于作者水平有限，有不足之處望批評(píng)指正。

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In this paper, refer to the extensive literature on the basis of elaborated Crowbar circuit and improved doubly-fed generator excitation control strategy principles and characteristics, describes the current low-voltage ride through common methods for their principles, the significance of research carried out deficiencies a comprehensive and objective analysis and evaluation, presented in the study Crowbar circuit problems on the latest developments to improve the excitation control strategy, put forward their own ideas, that "no combination of hard and soft" strategy, the final research in this field status and future trends are described.

doubly-fed generator low voltage ride through Crowbar improved excitation control strategy no combination of hardware and software strategy