湖南省株洲市電力機(jī)車研究所 王 躋 羅 成 鄔冬臨

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，世界各國對于新能源的開發(fā)和利用正不斷進(jìn)行。在目前，新能源的主要研究方向在于對可再生資源的利用進(jìn)行充分研究，這一類清潔能源具有分布廣泛，高效高能，零排放的特點(diǎn)，尤其像風(fēng)能資源在我國可再生能源的研究領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用空間。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穿越功率隨著科技的進(jìn)步而不斷擴(kuò)大，目前我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)確定了基本的功率穿越能力的標(biāo)準(zhǔn)范圍，雙饋式風(fēng)力感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，以高效的功率穿越能力和較小的變流器容量，在當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中是一項(xiàng)新的技術(shù)性突破。由于變流器在恒定發(fā)電容量中具有調(diào)節(jié)控制的特點(diǎn)，因而以此為技術(shù)的新型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)力大電機(jī)組具有電網(wǎng)波動(dòng)的抗敏性，這個(gè)特點(diǎn)使其在低壓功率穿越實(shí)驗(yàn)中成為重要課題。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越概念

當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電在電力能源生產(chǎn)的比例中不斷擴(kuò)大，風(fēng)電能源已經(jīng)成為一種發(fā)展成熟的新型環(huán)保動(dòng)力能源。近年來，國家對于風(fēng)電建設(shè)的投入不斷加大，風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，在以常規(guī)能源發(fā)電為基礎(chǔ)，風(fēng)力發(fā)電為補(bǔ)充的電能作用互補(bǔ)中，風(fēng)力發(fā)電能夠?qū)﹄娏?yīng)故障做到有效的補(bǔ)充，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，向電網(wǎng)輸出的電壓頻率會(huì)對電網(wǎng)系統(tǒng)造成一部分影響。因此在風(fēng)力發(fā)電的過程中，需要注意對低壓穿越技術(shù)進(jìn)行規(guī)范性研究，對電網(wǎng)功率作用、電網(wǎng)供電頻率控制輸出、低壓電網(wǎng)穿越技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步探討，尤其是在LVRT方面進(jìn)行深刻研究。

在目前各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行要求中，對低壓穿越的條件要求都有自成體系的規(guī)定。如美國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中對由于電壓增值導(dǎo)致的電網(wǎng)故障必須將影響深度降至15%的規(guī)范電壓恒定區(qū)間內(nèi)，如果在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行過程中，以625ms不切機(jī)低壓電網(wǎng)穿越，對電網(wǎng)故障可以做到無間斷恢復(fù)。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電低壓穿越技術(shù)的保障恒定值控制在電壓增值3S區(qū)間段內(nèi)，當(dāng)電壓額定值域達(dá)到90%的電壓區(qū)間時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在并網(wǎng)不斷線的基礎(chǔ)上持續(xù)運(yùn)行。

德國風(fēng)力發(fā)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)是在電壓出現(xiàn)增值故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須對電壓具有恒定控制力，在電壓收縮區(qū)間降低到一定標(biāo)準(zhǔn)后，電網(wǎng)停止對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓的降低控制幅度在額定電壓平均值的10%左右，發(fā)電機(jī)組也能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且對電壓進(jìn)行有效控制。一般電壓端主控是采用電壓調(diào)節(jié)器對發(fā)生故障20S范圍內(nèi)進(jìn)行單項(xiàng)短路支撐，并且通過功率轉(zhuǎn)換對電壓進(jìn)行補(bǔ)償，使無功率電壓進(jìn)行實(shí)效運(yùn)行，電壓補(bǔ)償是采用雙倍過量補(bǔ)償。

從各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓穿越電路保護(hù)模式中可以看出：1、風(fēng)力發(fā)電站內(nèi)的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電過程中電壓降壓控制在20%的情況下，仍然可以通過發(fā)電機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行，在625ms不切機(jī)進(jìn)行降壓處理；2、風(fēng)力發(fā)電站內(nèi)出現(xiàn)線路故障3s后，電壓主控鎖頻恢復(fù)到額定電壓的90%恒定值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)斷網(wǎng)切機(jī)現(xiàn)象，目前已經(jīng)投入到風(fēng)電生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)對低壓穿越能力進(jìn)行專業(yè)化改造，并且具有大規(guī)模的應(yīng)用。

二、LVRT技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電低壓穿越中的應(yīng)用

（一）已建成風(fēng)電場的改造。

對于已經(jīng)建成的風(fēng)電場，如果不具有LVRT能力，必須適應(yīng)當(dāng)前的并網(wǎng)規(guī)則要求，對風(fēng)電場進(jìn)行改造，目前有幾種方案可供選擇：在風(fēng)電場采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，動(dòng)態(tài)提供風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過程所消耗的無功，以恢復(fù)機(jī)端電壓；安裝可控串補(bǔ)效限制風(fēng)電場機(jī)端輸出電流，提高風(fēng)電場機(jī)端電壓；利用串聯(lián)制動(dòng)電阻在電網(wǎng)故障時(shí)提升風(fēng)電機(jī)組端電壓，并吸收過剩有功功率，進(jìn)而提高風(fēng)電場LVRT能力；安裝超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，提高風(fēng)電場機(jī)端電壓。

圖1是風(fēng)電雙饋感應(yīng)電路系統(tǒng)。

（二）電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)額外的變換器

這種技術(shù)通過電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器來提高DFIG機(jī)組的LVRT能力。這種電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器能夠?qū)收想妷哼M(jìn)行補(bǔ)償，保證DFIG定子電壓的穩(wěn)定，相當(dāng)于一臺(tái)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器。通過調(diào)節(jié)DFIG定子磁鏈并使之保持穩(wěn)定，從而減小甚至消除定子電壓突變引起的一系列暫態(tài)電磁現(xiàn)象，如電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子電流，以及有功、無功功率的振蕩。另外，將DFIG未能及時(shí)輸出的能量通過直流母線環(huán)節(jié)輸送到電網(wǎng)，防止直流母線電壓過高。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)零電壓穿越，具有優(yōu)良的LVRT能力，缺點(diǎn)是成本高、控制復(fù)雜。

（三）故障期間的控制策略

為了盡可能少地增加成本，許多學(xué)者都在尋求不增加硬件控制電路，從改善DFIG控制策略的角度來探索DFIG LVRT的實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)的基于定子磁場定向或定子電壓定向的矢量控制方法一般采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)有功、無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，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)的控狀態(tài)。為了克服傳統(tǒng)矢量控制的缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的改進(jìn)控制策略。例如：基于魯棒控制技術(shù)的analysis方法設(shè)計(jì)控制器；基于靜止無功補(bǔ)償器模式的控制方法；勵(lì)磁電壓控制法：針對電網(wǎng)電壓突降時(shí)定子磁鏈中的暫態(tài)直流和負(fù)序分量，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓使之產(chǎn)生出抵消性質(zhì)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量及相應(yīng)的漏磁場分量。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主動(dòng)式保護(hù)設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電的研究中，對于故電網(wǎng)障保護(hù)的分析是重點(diǎn)研究課題。主動(dòng)式Crowbar過電保護(hù)器是風(fēng)電電網(wǎng)故障保護(hù)中應(yīng)用較多的保護(hù)原理，Crowbar主要采用電阻繞接轉(zhuǎn)子組旁路變流器來實(shí)現(xiàn)電流單向通道的一種保護(hù)模式，目前在國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組線路保護(hù)中通常采用Crowbar電網(wǎng)保護(hù)模式。

主動(dòng)Crowbar電網(wǎng)保護(hù)模式在電路中采用新型強(qiáng)迫換流的電子組元件GTO、IGCT等對任意電流回路進(jìn)行切斷保護(hù)，主動(dòng)Crowbar電網(wǎng)保護(hù)的組成有通用二極管整流橋和旁路電阻共同組成可變值電阻，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)供電的過程中，可以在斷線不脫網(wǎng)階段啟動(dòng)保護(hù)作業(yè)，以此滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓穿越技術(shù)的關(guān)鍵要求。

圖2為主動(dòng)Crowbar電網(wǎng)保護(hù)模式示意。

在Crowbar的電路設(shè)計(jì)中，需要對保護(hù)電阻取值進(jìn)行特定功率選取，對電路空間策略進(jìn)行規(guī)定。DFIG在主動(dòng)Crowbar電網(wǎng)保護(hù)線路中的電阻取值受到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器最大電力輸出功率的最高電壓安全取值系數(shù)的影響，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，如果發(fā)生電力故障，Crowbar會(huì)使限值最小的電阻轉(zhuǎn)子抑制在旁側(cè)短路電流，在轉(zhuǎn)子動(dòng)力消失時(shí)，電流不會(huì)對旁側(cè)短路轉(zhuǎn)子造成損壞，變流器定值不會(huì)受到影響。Crowbar在電網(wǎng)通過的電阻值過大時(shí)，電網(wǎng)中形成直流電阻會(huì)加劇變流器的恒定電壓壓力，可能對變流器造成破壞。因此，對于電阻取值需要根據(jù)轉(zhuǎn)子和抑制電流的效果進(jìn)行綜合決定。

在電網(wǎng)發(fā)生故障的過程中，變流器電阻與直流電壓在Crowbar的約束下可以達(dá)到UI-max

目前在Crowbar電網(wǎng)電阻控制的主要形式可以分為兩種：其一是當(dāng)電網(wǎng)中電流不穩(wěn)，導(dǎo)致電阻值出現(xiàn)增大的情況下，Crowbar會(huì)在電路故障區(qū)域進(jìn)行延遲切除；其二是當(dāng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)子中的額定電流超過電網(wǎng)電阻承受標(biāo)準(zhǔn)的情況下，Crowbar會(huì)鎖閉線路，使轉(zhuǎn)子停止通過旁側(cè)變流器，當(dāng)電網(wǎng)電流恢復(fù)到設(shè)定電流值下限時(shí)，變流器會(huì)切除Crowbar的控制端，并且恢復(fù)轉(zhuǎn)子通過。

一般在電網(wǎng)故障的處理中，Crowbar在故障線路中處于激活狀態(tài)，雙饋發(fā)電機(jī)能夠?qū)﹄娔茌敵龅牟豢煽貭顟B(tài)進(jìn)行功率限定，對電網(wǎng)中的超額電流部分進(jìn)行無功率處理，是電網(wǎng)電壓值恢復(fù)平均水平，并且能夠有效控制電網(wǎng)電壓額度，對電網(wǎng)進(jìn)行故障恢復(fù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流都會(huì)產(chǎn)生交流感應(yīng)現(xiàn)象，在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，如果通過轉(zhuǎn)子與旁側(cè)電路的隔離進(jìn)行降阻，需要通過較為復(fù)雜的電阻邏輯處理方式，否則可能會(huì)對電流感應(yīng)的過程中造成較為強(qiáng)烈的電磁振動(dòng)，Crowbar在電路降阻的過程中，會(huì)發(fā)生升熱現(xiàn)象，因此需要考慮適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?，避免線路阻隔出現(xiàn)燒毀。

Crowbar在激活狀態(tài)下，如果控制組策略操作不當(dāng)，DFIG不能有效實(shí)現(xiàn)電流感應(yīng)的穩(wěn)定效果，電流感應(yīng)的振蕩可能或?qū)е聶C(jī)械傳感的不穩(wěn)定，對風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部構(gòu)件的安全運(yùn)行造成影響。

四、結(jié)語

隨著電力科技的不斷發(fā)展，人類對于可再生能源的不斷探索，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)會(huì)不斷取得更高的突破。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心方面，低壓穿越始終影響著風(fēng)電供應(yīng)的全過程，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用減少了供電網(wǎng)絡(luò)故障問題的出現(xiàn)，同時(shí)解決了低壓電路保障的問題。由于目前風(fēng)電電網(wǎng)故障恢復(fù)能力還處于研究階段，風(fēng)電機(jī)感應(yīng)穿越的理論基礎(chǔ)也不夠成熟，因此，在通過對電壓采取降壓處理的方法下，對于低壓穿越的研究是一個(gè)新型課題。

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