林資旭，黃煒煌，許洪華，吳瑊

（1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中央民族大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100081）

LVRT是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相（或單相、兩相）電壓短時(shí)跌落或短路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)具備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行的能力。大范圍風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)局部潮流突變、系統(tǒng)頻率波動(dòng)、電網(wǎng)電壓升高或降低，從而使得故障電網(wǎng)更加惡化，甚至可能引起大面積停電故障，嚴(yán)重時(shí)威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前開(kāi)展了LVRT相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)工作，以期實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng)連接到達(dá)規(guī)定時(shí)間，同時(shí)還要求能夠在故障穿越時(shí)具備動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力，支持電網(wǎng)恢復(fù)和保持電壓穩(wěn)定。

1 風(fēng)電機(jī)組LVRT技術(shù)

當(dāng)今市場(chǎng)上典型的并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)可分為3類(lèi)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組有著不同的控制特性和LVRT技術(shù)。

1.1 失速型風(fēng)電機(jī)組

失速型風(fēng)電機(jī)組通常采用鼠籠異步發(fā)電機(jī)作為機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的單元，發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接相連。該類(lèi)風(fēng)電機(jī)組只能在異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性規(guī)定的一個(gè)很窄的范圍內(nèi)變速運(yùn)行。由于該類(lèi)發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，沒(méi)有電力電子設(shè)備作為控制單元，且該類(lèi)風(fēng)電機(jī)組多沒(méi)有變槳機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，因此當(dāng)電網(wǎng)跌落時(shí)，會(huì)引起定子電流嚴(yán)重過(guò)流，且由于能量沒(méi)有回饋通道，導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速保護(hù)。

通常失速型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方案有以下幾種：1）圖1所示的全功率變流器FC串聯(lián)方案。采用全功率變流器串聯(lián)在電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組之間，將發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)隔離，通過(guò)全功率變流器實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能。該種方案由于采用串聯(lián)型式，首先會(huì)造成機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)效率較低，而且成本較高，控制較為復(fù)雜。2）圖2所示為DVR方案，該方案可以通過(guò)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)定子側(cè)電壓穩(wěn)定，但DVR無(wú)功支撐能力較弱，成本較高。3）圖3所示為STATCOM方案，該方案可以完美解決無(wú)功支撐能力，但由于采用并聯(lián)型式，對(duì)電機(jī)定子電流及轉(zhuǎn)矩暫態(tài)控制能力較弱，適合加在風(fēng)場(chǎng)級(jí)，不適合單臺(tái)風(fēng)力應(yīng)用。

圖1 全功率變流器方案FCFig.1 Full power converter formula

圖2 DVR方案Fig.2 DVR formula

圖3 Statcom方案Fig.3 Statcom formula

為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，由AC-Switch開(kāi)關(guān)將發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)連接，機(jī)組發(fā)出的電量直接回饋電網(wǎng)。AC-Switch采用電力電子快速開(kāi)關(guān)，能夠在2 ms內(nèi)將發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)脫開(kāi)，避免由于磁鏈暫態(tài)引起定子過(guò)流。

圖4 失速型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方案Fig.4 Stall WT LVRT formula

網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器組成的背靠背變流器，其作用類(lèi)似于UPS。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，變流器不工作。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，AC-Switch將定子與電網(wǎng)脫開(kāi)，變流器向發(fā)電機(jī)定子提供穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓，風(fēng)電機(jī)組輸出的能量通過(guò)機(jī)側(cè)變流器回饋至直流側(cè)，一部分通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器回饋電網(wǎng)，多余的能量通過(guò)直流側(cè)Chopper電阻消耗掉。網(wǎng)側(cè)變流器可以向電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

該方法是在電網(wǎng)電壓故障時(shí)為風(fēng)電機(jī)組提供不間斷電源，因此不但對(duì)電網(wǎng)跌落有效，對(duì)電網(wǎng)電壓升高以及頻率變化等其他故障一樣具有穿越能力。同時(shí)不需要風(fēng)電機(jī)組主控等做任何更改，可以方便地實(shí)現(xiàn)其低電壓穿越改造。

1.2 雙饋型風(fēng)電機(jī)組LVRT技術(shù)

雙饋型風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)交-直-交變流器與電網(wǎng)相連。同失速型風(fēng)電機(jī)組一樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，由于磁鏈不能突變，會(huì)導(dǎo)致定子側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)流、過(guò)壓。由于轉(zhuǎn)子側(cè)所連接變流器容量有限，為實(shí)現(xiàn)穿越功能，雙饋?zhàn)兞髌餍柙黾覥rowbar電路及Chopper電路，如圖5所示。

圖5 雙饋機(jī)組LVRT技術(shù)Fig.5 DFIG LVRT technolyg

穿越期間，Chopper電路可將變流器直流母線(xiàn)穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，Crowbar電路保護(hù)變流器轉(zhuǎn)子模塊不受暫態(tài)沖擊的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流及定子電流暫態(tài)減少到變流器能承受的范圍內(nèi)，切除Crowbar電路，由變流器控制發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送無(wú)功電流，以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

常見(jiàn)的Crowbar回路有以下2種：IGBT型和晶閘管型。如圖6、圖7所示。

圖6 IGBT型CrowbarFig.6 IGBT type Crowbar

圖7 晶閘管型CrowbarFig.7 Thyristor type crowbar

采用圖6所示IGBT型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Crowbar電路，其開(kāi)通、關(guān)斷速度完全可控，影響速度迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)在電網(wǎng)跌落后快速發(fā)無(wú)功功率的要求。對(duì)于圖7所示晶閘管的模式，成本較低，且晶閘管耐壓、耐流能力較強(qiáng)，但由于晶閘管為半控型器件，關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，Crowbar回路電阻投入時(shí)間不完全受控，實(shí)時(shí)性較差。

1.3 全功率型風(fēng)電機(jī)組變流器技術(shù)

全功率變流器是指應(yīng)用在全功率風(fēng)電機(jī)組的變流器單元。全功率風(fēng)電機(jī)組主要包括直驅(qū)、半直驅(qū)、高速永磁、電勵(lì)磁等風(fēng)電機(jī)組。圖8所示風(fēng)電機(jī)組全功率變流器也分為電網(wǎng)側(cè)變流器與電機(jī)側(cè)變流器。電機(jī)側(cè)變流器接受發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率，并將功率通過(guò)直流環(huán)節(jié)送往電網(wǎng)側(cè)變換器。電網(wǎng)側(cè)變換器接受通過(guò)直流環(huán)節(jié)輸送來(lái)的有功功率，并將其送到電網(wǎng)。

圖8 全功率型風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Full power WT structure

在低電壓穿越時(shí)，全功率風(fēng)電機(jī)組只有變流器的電網(wǎng)側(cè)部分與電網(wǎng)相連。此時(shí)由于電網(wǎng)側(cè)電壓的跌落，在維持機(jī)組輸出能量不變的情況（減少機(jī)組振動(dòng)）下，電網(wǎng)側(cè)變流器不能將能量全部回饋至電網(wǎng)，多余能量聚集在變流器直流側(cè)，直流側(cè)功率發(fā)生不平衡，此時(shí)投入直流側(cè)卸荷電路，消耗掉直流側(cè)多余的能量，使風(fēng)電機(jī)組與故障電網(wǎng)基本隔離。低電壓穿越期間風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)可以保持正常運(yùn)行，即變流器輸入功率在電壓跌落期間基本不變，由直流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的功率平衡，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。電網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)提供無(wú)功電流以支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

2 LVRT技術(shù)驗(yàn)證

本文針對(duì)LVRT技術(shù)較為復(fù)雜的失速型風(fēng)電機(jī)組和雙饋型風(fēng)電機(jī)組分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)及認(rèn)證波形如圖9和圖10所示。

由圖9可知，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，變流器快速地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)的脫開(kāi)且為發(fā)電機(jī)定子提供不間斷的電源，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的LVRT。圖10為1.5 MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組的零電壓穿越認(rèn)證波形，圖10中采用標(biāo)幺值的表示方法，電網(wǎng)電壓基準(zhǔn)690 V，電流基準(zhǔn)1250 A，功率基準(zhǔn)1500 kW。

圖9 失速型風(fēng)電機(jī)組LVRT實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Test waves of stall WT LVRT

圖10 雙饋型風(fēng)電機(jī)組兩相零電壓LVRT認(rèn)證波形Fig.10 LVRT certification waveforms in two phase zero voltage

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了當(dāng)今市場(chǎng)上主流的3種機(jī)型不同的LVRT技術(shù)。其中失速型機(jī)組，可通過(guò)本文所列的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)低電壓穿越改造技術(shù)。全功率型風(fēng)電機(jī)組由于實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的隔離，相對(duì)于雙饋型風(fēng)電機(jī)組而言，LVRT實(shí)現(xiàn)較為容易。對(duì)于電網(wǎng)而言，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)最終并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定是控制的關(guān)鍵，因此關(guān)于風(fēng)場(chǎng)級(jí)的LVRT技術(shù)仍是今后一段時(shí)間關(guān)注的重點(diǎn)。

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