雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)綜述

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)綜述

孫云鵬 ，謝冬梅

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，具有低電壓穿越能力(LVRT)已逐步成為風(fēng)電場(chǎng)的要求。本文在目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與總結(jié)，以期為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)的研究提供支持。

風(fēng)力發(fā)電 ；電網(wǎng)電壓跌落 ；低電壓穿越技術(shù)

能源、環(huán)境是當(dāng)今人類(lèi)生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電在清潔能源與可再生能源中是發(fā)展前景最好的發(fā)電方式之一，風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)很成熟了，它對(duì)環(huán)境的破壞也是最低，在開(kāi)發(fā)成本上降低的最快，開(kāi)發(fā)的條件成熟，運(yùn)行也較為靈活。根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年末，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量必須要提升至2.1億千瓦，除此之外，海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量必須提升至500萬(wàn)千瓦;風(fēng)電年發(fā)電量應(yīng)提升至4200億千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)值大約為全國(guó)發(fā)電總量的6%。

本文就當(dāng)前的雙饋式恒頻風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電系統(tǒng)中的LVRT技術(shù)進(jìn)行綜述，以期對(duì)低電壓穿越的工程的實(shí)現(xiàn)提供支持。

1 低電壓穿越技術(shù)的技術(shù)要求

國(guó)家電網(wǎng)公司召開(kāi)的“促進(jìn)新能源發(fā)展工作會(huì)議”上，發(fā)布了《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》，以規(guī)范風(fēng)電并網(wǎng)，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。其中對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力做出了詳細(xì)的要求，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中的電壓輪廓線以下的時(shí)候，場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電組是允許從電網(wǎng)中切除的，反之場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組則必須保證不斷并網(wǎng)運(yùn)行。

規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越的要求為以下幾點(diǎn)。

（1）在風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)點(diǎn)電壓降到額定電壓的20%時(shí)可以保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms低電壓穿透的能力。

（2）在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)的電壓發(fā)生跌落后的3s中可以重新回到額定電壓的90%時(shí)，其風(fēng)電機(jī)組可保持并網(wǎng)運(yùn)行。

2 低的電壓穿越技術(shù)保護(hù)方案

2.1 改進(jìn)矢量控制策略

2.1.1 控制策略的概況

網(wǎng)側(cè)的換流器以STATCOM模式工作時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落的時(shí)候，為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)的換流器無(wú)功支撐，風(fēng)機(jī)側(cè)的換流器就會(huì)以恒定的功率因數(shù)的方式工作，功率因數(shù)則是認(rèn)為預(yù)先給定，從定子側(cè)像電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率。若直流的母線電容達(dá)到穩(wěn)定值后，且工作狀態(tài)為放電的狀態(tài)，則可以為換流器供電。

2.1.2 網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略

設(shè)定電網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)的換流器之間沒(méi)有無(wú)功交換，這是一般的矢量控制策略。但是在故障時(shí)為給完成風(fēng)機(jī)的LVRT，則電網(wǎng)需要網(wǎng)側(cè)換流器對(duì)其進(jìn)行一些無(wú)功補(bǔ)償，如果只是靠人工主動(dòng)的去設(shè)定補(bǔ)償?shù)牧浚?dāng)故障的情況比較復(fù)雜的時(shí)候，響應(yīng)速度肯定會(huì)受到很大的影響，鑒于此，對(duì)一般傳統(tǒng)的矢量控制改進(jìn)是十分必要的，DFIG的網(wǎng)側(cè)換流器的結(jié)構(gòu)與STATCOM非常類(lèi)似，所以在系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生跌落的時(shí)候，可以讓網(wǎng)側(cè)換流器以STATCOM狀態(tài)進(jìn)行工作，讓網(wǎng)側(cè)換流器根據(jù)電網(wǎng)的電壓去調(diào)節(jié)無(wú)功的發(fā)功量。

網(wǎng)側(cè)換流器的等效電路可推出三相靜止坐標(biāo)下的電壓方程：

式中：uga、ugb、ugc表示電網(wǎng)三相電壓；ua、ub、uc表示網(wǎng)側(cè)換流器的三相電壓；ia、ib、ic表示網(wǎng)側(cè)換流器的三相電流；Rg、Lg表示網(wǎng)側(cè)換流器串聯(lián)的電和感和電的阻和。

由派克變換可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)換流器的電壓方程：

式中：ugd、ugq表示電網(wǎng)電壓的直軸、交軸分量；ud、uq表示網(wǎng)側(cè)換流器電壓的直軸、交軸分量；id、iq表示網(wǎng)側(cè)換流器電流的直軸、交軸分量；ωs表示同步角速度；p表示微分。

得到的換流換器的直流側(cè)電流的方程為：

式中：udc表示直流母線的電壓；C表示直流母線的電容；idcs表示網(wǎng)側(cè)換流器的直流電流；idcr表示機(jī)側(cè)換流器的直流電流。

若忽略換流器的損耗則有：

式中：m表示網(wǎng)側(cè)換流器的調(diào)的制的系數(shù)。

由(3)、(4)式可以得到：

由(2)、(5)與機(jī)端電壓—無(wú)功電流變換控制方程，可以得到網(wǎng)側(cè)換流器的控制方程：

式中：Kip表示電流內(nèi)環(huán)的比例調(diào)節(jié)的額增益；Kil表示電流內(nèi)環(huán)的積分調(diào)節(jié)的增益；Kup表示電壓外環(huán)的比例調(diào)節(jié)的增益；Kul表示電壓外環(huán)的積分調(diào)節(jié)的增益；Ksp表示機(jī)端電壓變換為無(wú)功電流的比例調(diào)節(jié)的增益；Ksl表示機(jī)端電壓變換為無(wú)功電流的積分調(diào)節(jié)的增益；各量右下角的ref表明該量為參考值。

2.2 轉(zhuǎn)子短路保護(hù)的技術(shù)

保護(hù)轉(zhuǎn)子短路可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)邊裝Crowbar電路，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)的電壓發(fā)生大幅電壓跌落的時(shí)候，對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁交流機(jī)產(chǎn)生閉鎖，與此同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路旁邊的保護(hù)機(jī)制，從而限制勵(lì)磁交流器的電流大小以及轉(zhuǎn)子的繞阻的電壓作用，以達(dá)到維持發(fā)電機(jī)不斷網(wǎng)運(yùn)行的目的，這時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方式進(jìn)行運(yùn)行，這是當(dāng)前的風(fēng)電制造商常用的方法。

Crowbar的電路有下面幾種。

（1）IGBT型的Crowbar電路，一個(gè)橋臂都有兩個(gè)二極管，且二極管串聯(lián)，直流側(cè)則增加一個(gè)吸收電阻和一個(gè)IGBT器件。

（2）混合型的Crowbar電路，一個(gè)橋臂也有兩個(gè)二極管串聯(lián)以及還有控制器件組合。

電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的電流會(huì)突然增大，當(dāng)增大至越過(guò)之前設(shè)定轉(zhuǎn)子電流的限定值的時(shí)候，IGBT會(huì)被主動(dòng)激活以保護(hù)電路的開(kāi)通，于是Crowbar電阻則會(huì)等效的接入雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路之中，而故障時(shí)候的電流則通過(guò)Crowbar電路流通，避免了電流直接通過(guò)變換器，與此同時(shí)閉鎖了PWM變換器，做到了對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的保護(hù)，之后雙饋電機(jī)以類(lèi)似鼠籠式的異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)從電網(wǎng)中獲得部分的無(wú)功功率，一旦轉(zhuǎn)子的電流正常時(shí)，IGBT則關(guān)閉保護(hù)電路，雙饋電機(jī)重新回到正常狀態(tài)中。

（3）有旁路電阻的Crowbar電路（如圖1所示）出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，可以為該期間將會(huì)提供通路，以解決可能會(huì)出現(xiàn)的大電流的情況。用這樣的電路，在電壓跌落與恢復(fù)的時(shí)候，可以保持轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器保持正常的連接，消除故障之后只需要切除旁路電阻便可以迅速使系統(tǒng)恢復(fù)正常的運(yùn)行，旁路電阻可以有效限制轉(zhuǎn)子側(cè)大電流又可以避免過(guò)電壓。

圖1 帶有旁路電阻的Crowbar電路

但是Crowbar電路也存在一些缺點(diǎn)。

（1）成本增加，因?yàn)樾枰黾右恍┬碌谋Ｗo(hù)裝置。

（2）電路故障時(shí)，雖然保護(hù)了轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁變流器，但是同時(shí)以感應(yīng)電機(jī)方式運(yùn)行的機(jī)組卻從系統(tǒng)中吸收了很多的無(wú)功功率，這樣會(huì)增加電網(wǎng)中電壓的不穩(wěn)定性，且一般傳統(tǒng)的Crowbar保護(hù)電路也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，包括集成化高、控制較為復(fù)雜以及結(jié)構(gòu)具有龐大性。在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的程度較輕的時(shí)候，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)，便可以有效的提升風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓的穿越的能力，這是在不增加硬件的條件下。一旦電壓的跌幅較大，此時(shí)便必須要通過(guò)增加硬件的方式，再跟之前的控制策略進(jìn)行配合，綜合協(xié)調(diào)就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的LVRT的要求。

[1]包耳.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].可再生能源，2004(2): 53-55.

[2]胡家兵，孫丹，賀益康，趙仁德.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006,30(8):21-26.

[3]賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,24(9):140-146.

TM614

：A

：1671-0711（2017）08（上）-0152-02