雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)分析

沈 朗 國網(wǎng)嘉興供電公司

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)分析

沈 朗 國網(wǎng)嘉興供電公司

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)展水平的不斷提高，各項(xiàng)電力設(shè)施建設(shè)取得了顯著成效，在電力設(shè)施日趨現(xiàn)代化與自動化下，為發(fā)電、輸電以及供電提供了更為科學(xué)、高效的設(shè)備支持，使電力資源得到高效、優(yōu)化利用。本文將對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行研究，分析該技術(shù)風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電；發(fā)電機(jī)；電壓穿越技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電是在我國新能源戰(zhàn)略下開發(fā)與應(yīng)用的新型發(fā)電模式，成為全球發(fā)展速度最快的清潔能源，也促使雙饋式發(fā)電機(jī)成為應(yīng)用最廣的，集變速運(yùn)行與變流器容量小優(yōu)點(diǎn)為一體的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。過去應(yīng)用的保護(hù)設(shè)備要求與電網(wǎng)解列，失去電網(wǎng)的支撐作用，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，基于此，當(dāng)電網(wǎng)、電壓跌落時風(fēng)電場需維持一定時間，確保電網(wǎng)連接不發(fā)生解列，這一要求即為低電壓穿越（LVRT）雙饋式分力發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)特征，存在諸多難點(diǎn)，比如，控制策略需滿足不同機(jī)組、不同參數(shù)適應(yīng)性，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流與直流母線過電壓均要在可承受范圍內(nèi)等。本文將對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行分析，提出技術(shù)應(yīng)用策略。

1. 實(shí)現(xiàn)LVRT要求

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下要求：（1）電網(wǎng)發(fā)生故障時，保護(hù)電網(wǎng)與電壓、變流器不出現(xiàn)損壞。（2）將故障時機(jī)械轉(zhuǎn)矩躍變對齒輪箱與風(fēng)機(jī)造成的沖擊，進(jìn)而避免齒輪箱出現(xiàn)機(jī)械磨損。（3）需與電網(wǎng)的LVRT標(biāo)準(zhǔn)滿足，隨著我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大規(guī)模發(fā)電項(xiàng)目被提上日程，但是風(fēng)力發(fā)電能源供應(yīng)不足，對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了不利影響[1]。由此，加快LVRT標(biāo)準(zhǔn)制度對風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行有重要意義。

2. LVRT實(shí)現(xiàn)方法

2.1 傳統(tǒng)控制策略不適合故障過程控制

通過雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的有功與無功解耦控制的控制方法，但是這種方法構(gòu)造單一，不能獲得更好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。此方法不適應(yīng)故障期間的控制分析：該控制方法將定子磁鏈的暫態(tài)過程忽略了，認(rèn)為定子磁鏈保持恒定，出現(xiàn)故障后電壓解耦控制將不能實(shí)現(xiàn)；其次，電機(jī)端電壓在出現(xiàn)故障會發(fā)生躍變，定子磁鏈測定應(yīng)用的積分器飽和，從而使磁鏈定向失去準(zhǔn)確性，從而使整個故障控制過程變得艱難[2]。

2.2 增加硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 Crowbar電路

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)增加電路使系統(tǒng)的LVRT得以實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)方法最為常見，適合雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的Crowbar的電路有很多。Crowbar電路選取非常重要，變流器端的電壓需控制好，不能太高也不能太低，不能對電流進(jìn)行限制。發(fā)生短路時可將Crowbar電路接入實(shí)現(xiàn)限流。如果電壓跌落持續(xù)較長時間，電機(jī)會在故障期間提供無功給電網(wǎng)，但是需要注意的是，切換不需要再使用特殊的控制方法，但是會出現(xiàn)嚴(yán)重的暫態(tài)[3]。鑒于此過程電機(jī)沒有與電網(wǎng)發(fā)生解列，電機(jī)依然可以生成電磁轉(zhuǎn)矩，可以將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩抵消。

消除故障后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會馬上恢復(fù)原有的工作模式，如果不能采取這種模式，電壓恢復(fù)暫態(tài)容易出現(xiàn)與返回值不匹配的情況，容易使積分出現(xiàn)飽和，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的暫態(tài)響應(yīng)。由此，為了使切換更加平滑，必須將參考值設(shè)置為實(shí)際值，這樣才能使整個狀態(tài)是緩慢、安全的。

2.2.2 能量存儲系統(tǒng)

電壓出現(xiàn)跌落在故障期間難以對直流電壓控制時，可以應(yīng)用能量存儲系統(tǒng)（ESS），這一系統(tǒng)的優(yōu)勢是能夠存儲過剩的能量，且在故障后將這些能量再次輸送到電網(wǎng)中[4]。這種方法避免了Crowbar運(yùn)行狀態(tài)切換問題，還能避免出現(xiàn)切換失誤造成的暫態(tài)，可以持續(xù)調(diào)控系統(tǒng)，缺點(diǎn)是ESS不能控制轉(zhuǎn)子電流，為了使變流器不因轉(zhuǎn)子過電流出現(xiàn)損壞，需要使用較大容量側(cè)變流器。

2.2.3 定子側(cè)的電子開關(guān)

為了使系統(tǒng)控制能力得以保證，減少轉(zhuǎn)矩振蕩情況，可以在定子側(cè)與電網(wǎng)間并聯(lián)晶閘管作為電子開關(guān)，從而分離定子快速與電網(wǎng)。其控制過程為：發(fā)生故障時，將定子與電網(wǎng)連接切斷，對轉(zhuǎn)子側(cè)的逆變器進(jìn)行控制，可以使電機(jī)順利去磁，實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)與電網(wǎng)的同步，使電機(jī)定子成功連接到電網(wǎng)，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

3.結(jié)束語

本文主要對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)（LVRT）的提出與應(yīng)用進(jìn)行了分析，我國在應(yīng)用LVRT時依然存在較多問題，且未來將面臨更多問題，比如，LVRT技術(shù)規(guī)范、具備LVRT能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型構(gòu)建、評價LVRT功能、效率與影響的方法等。但可以肯定的是，LVRT技術(shù)應(yīng)用對維持電網(wǎng)運(yùn)行與推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展有重要作用，值得進(jìn)一步研究。

[1]程孟增. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué),2012.

[2]蔚蘭,陳宇晨,陳國呈,吳國祥. 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,07:30-36.

[3]李廣博. 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越特性研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2010.

[4]鄧友漢. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕捉及低電壓運(yùn)行技術(shù)研究[D].武漢大學(xué),2014.