薛榮輝
(西安航空學院,陜西 西安 710077)
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,能源的消耗日益增加,煤、石油、天然氣等不可再生能源存儲量日益減少,發(fā)展可再生能源是解決能源問題的重中之重,風能作為一種清潔能源,隨著電力電子技術的發(fā)展,百年來發(fā)展比較成熟。風力發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量也日漸增加,風能經(jīng)過風力機轉換為機械能帶動電機轉動在經(jīng)過變流器得到與電網(wǎng)同頻的交流提供給電網(wǎng)。風電系統(tǒng)現(xiàn)在用的比較廣泛有雙饋感應風電系統(tǒng)和直驅永磁同步風電系統(tǒng),由于直驅永磁同步風電系統(tǒng)不需要齒輪箱,節(jié)省了維修費用,所以直驅風電系統(tǒng)更具有優(yōu)勢,本文研究直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)。隨著風力發(fā)電的比重增加,需要考慮電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時對風力系統(tǒng)的影響,以及風力系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。而世界各國的電網(wǎng)運營商制定并網(wǎng)準則對并網(wǎng)風電場的輸出的特性作出嚴格規(guī)定,并網(wǎng)導則中一項重要內(nèi)容為要求風電場具有低壓穿越能力[1]。
低壓穿越(LVRT-Low Voltage Ride Through),是指在電網(wǎng)電壓突然降落時,風力系統(tǒng)在不解列的情況下,繼續(xù)給電網(wǎng)提供所需的無功功率,直到電網(wǎng)恢復正常,風力發(fā)電系統(tǒng)恢復正常運行的過程。從電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,如果在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時,風力系統(tǒng)保護裝置啟動,直接從電網(wǎng)解列,兆瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)將造成電網(wǎng)崩潰,為此研究直驅永磁同步風力系統(tǒng)的低壓穿越[2],具有重要意義。需要采取一定的保護措施對網(wǎng)側變流器進行過流保護,網(wǎng)側一般是采用改進前饋控制方案,主要任務是控制系統(tǒng)使得機側變流器和網(wǎng)側變流器兩側功率平衡。但是如果嚴重故障時,僅靠控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié),不能解決問題,常用的是采用Crowbar保護電路,在電網(wǎng)電壓發(fā)生突降時,能夠提供吸收多余能量的通道,使得系統(tǒng)功率平衡。電網(wǎng)電壓突降,機側輸出功率不變,網(wǎng)側輸入功率突降,造成系統(tǒng)輸出輸入功率不平衡,造成直流母線電容電壓上升。要研究解決辦法,現(xiàn)將系統(tǒng)功率關系研究。設風力機產(chǎn)生的機械能為Pz,最大機械功率為Pm,永磁同步電機輸出功率為Pg,注入電網(wǎng)功率為Ps。忽略損耗的情況,正常工作Pm=Pg=Ps,系統(tǒng)功率平衡。
方法一:通過變槳距角實現(xiàn)低壓穿越,電網(wǎng)電壓突降,輸出電網(wǎng)的功率減小,電流不能突變,系統(tǒng)流入電網(wǎng)的功率降落比與電網(wǎng)電壓降落比成正比,發(fā)電機輸出功率大于輸入電網(wǎng)功率,調(diào)節(jié)槳距角控制使得功率平衡。
由式(1)(2),及圖1得到,不同β都存在最佳葉尖速比,在最佳葉尖速比時獲得最大輸出功率。在電壓跌落時,控制β減小,就可以減小發(fā)電機輸出功率,使得功率平衡。等到電網(wǎng)恢復時,再控制β,使工作在最大風能利用率,輸出最大功率。
風力發(fā)電系統(tǒng)將通過風力機實現(xiàn)風能轉換為機械能,風能轉換率設為CP,CP是關于槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)如下式:
方法二:chopper電路,通過增加chopper電路,解決低壓穿越問題,如圖2所示。當電網(wǎng)正常工作時,chopper電路不起作用,當電網(wǎng)電壓跌路,由功率不平衡,引起Udc突然增加,采用chopper電路,電阻將多余的能量消耗,如果不能完全消耗,再采用槳距角控制。
圖1 CP=f(λ,β)曲線圖Fig.1 CP=f(λ,β)
圖2 采用chopper保護電路Fig.2 Chopper circuit
圖3為chopper電路控制原理,通過功率比較,判斷差值,通過占空比計算得到脈沖,控制chopper電路中的全控器件,實現(xiàn)控制。
圖3 Chopper電路控制Fig.3 Chopper circuit control
方法三:STATCOM,靜態(tài)無功補償方法解決低壓穿越,正常情況時,無功功率給定值Q*等于0,i*q為0,網(wǎng)側變流器功率因數(shù)為0,只向網(wǎng)側提供有功功率;發(fā)生電壓跌落故障時,改變Q*,實現(xiàn)對電網(wǎng)提供無功功率和有功功率。
方法四:Crowbar保護電路,低壓運行方案有在直流母線側電容端增加Crowbar保護電路,如圖4所示,實現(xiàn)能量的有效利用。電容與儲能裝置通過IGBT連接,當電容電壓低時,IGBT導通,儲能元件將能量送到電容,當電容電壓增加時,IGBT導通,電容將多余的能量送給儲能元件,這樣能量利用率高。但是電路中增加了儲能元件,費用增加;還可以電網(wǎng)側和直流母線側增加輔助變流器的Crowbar保護電路,如圖5所示。
圖4 直流母線電容端增加CrowbarFig.4 The dc bus capacitor increases the Crowbar
圖5 有儲能裝置的Crowbar保護電路Fig.5 Crowbar protection circuit with energy storage devices
網(wǎng)側變流器采用全控器件IGBT,考慮到器件過流能力,必須在電網(wǎng)電壓跌落時,控制通過開關器件的電流,采用網(wǎng)側和直流母線側增加輔助變流裝置,實際上相當于增加了變流器的容量,電壓跌落時,部分電流可以通過輔助變流器并入電網(wǎng),從而解決的網(wǎng)側變流器開關器件過流的問題,保持電網(wǎng)電壓跌落時功率平衡。本系統(tǒng)增加了輔助大功率變流器,控制復雜成本提高。
在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障突降時,本文采用將電網(wǎng)側電壓反饋給風力系統(tǒng),通過控制電路,控制槳距角不變的情況下減小最佳葉尖速比,從而減小風能利用率,減小輸出機械能,從而可以使機側網(wǎng)側功率達到動態(tài)平衡。在電網(wǎng)恢復正常工作時,通過增大槳距角,保持電網(wǎng)電壓跌落時的風能利用率,達到故障前最佳葉尖速比,調(diào)節(jié)槳距角,實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制。圖6為仿真結果。
圖6 電網(wǎng)側三相電壓Fig.6 Three-phase voltage power grid side
設在5.2s時電網(wǎng)電壓發(fā)生突降,降幅為50%,風速保持額定風速15m/s,通過仿真得到網(wǎng)側電壓,經(jīng)過0.5s后恢復到正常電壓,網(wǎng)側電流通過0.6s也恢復正常值。說明仿真基本實現(xiàn)低壓穿越的功能。而發(fā)生故障時,因為風速不變風機輸出功率不變,電網(wǎng)電壓降低,機側網(wǎng)側功率不平衡,造成電網(wǎng)電流增加,經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié)恢復正常工作。
本文主要研究直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越問題,分析電網(wǎng)電壓突變引起功率不平衡,具體采用通過將電網(wǎng)電壓引入電機側,控制槳距角實現(xiàn)低壓穿越。
[1]肖帥,耿華,郭云璐,楊耕.風電機組低壓穿越中的電力電子技術[J].變頻器世界,2013.
[2]楊曉萍,段先鋒,田錄林.直驅永磁同步風電系統(tǒng)低電壓穿越的研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報,2009,8.