(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)綜述

孫云鵬 ，謝冬梅

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

隨著風力發(fā)電裝機容量的不斷擴大，具有低電壓穿越能力(LVRT)已逐步成為風電場的要求。本文在目前國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上進行分析與總結(jié)，以期為風力發(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)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。風力發(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，風力發(fā)電的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)很成熟了，它對環(huán)境的破壞也是最低，在開發(fā)成本上降低的最快，開發(fā)的條件成熟，運行也較為靈活。根據(jù)國家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年末，累計并網(wǎng)裝機容量必須要提升至2.1億千瓦，除此之外，海上風電并網(wǎng)裝機容量必須提升至500萬千瓦;風電年發(fā)電量應(yīng)提升至4200億千瓦時，這個數(shù)值大約為全國發(fā)電總量的6%。

本文就當前的雙饋式恒頻風電機組風電系統(tǒng)中的LVRT技術(shù)進行綜述，以期對低電壓穿越的工程的實現(xiàn)提供支持。

1 低電壓穿越技術(shù)的技術(shù)要求

國家電網(wǎng)公司召開的“促進新能源發(fā)展工作會議”上，發(fā)布了《國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》，以規(guī)范風電并網(wǎng)，促進風電行業(yè)的發(fā)展。其中對風電機組低電壓穿越能力做出了詳細的要求，當風場并網(wǎng)點電壓在圖中的電壓輪廓線以下的時候，場內(nèi)的風電組是允許從電網(wǎng)中切除的，反之場內(nèi)風電機組則必須保證不斷并網(wǎng)運行。

規(guī)定的風電場的低電壓穿越的要求為以下幾點。

（1）在風電場的風電機組的并網(wǎng)點電壓降到額定電壓的20%時可以保持并網(wǎng)運行625ms低電壓穿透的能力。

（2）在風電場的并網(wǎng)點的電壓發(fā)生跌落后的3s中可以重新回到額定電壓的90%時，其風電機組可保持并網(wǎng)運行。

2 低的電壓穿越技術(shù)保護方案

2.1 改進矢量控制策略

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，系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落的時候，為系統(tǒng)提供動態(tài)的換流器無功支撐，風機側(cè)的換流器就會以恒定的功率因數(shù)的方式工作，功率因數(shù)則是認為預(yù)先給定，從定子側(cè)像電網(wǎng)發(fā)出無功功率。若直流的母線電容達到穩(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)的換流器之間沒有無功交換，這是一般的矢量控制策略。但是在故障時為給完成風機的LVRT，則電網(wǎng)需要網(wǎng)側(cè)換流器對其進行一些無功補償，如果只是靠人工主動的去設(shè)定補償?shù)牧?，當故障的情況比較復(fù)雜的時候，響應(yīng)速度肯定會受到很大的影響，鑒于此，對一般傳統(tǒng)的矢量控制改進是十分必要的，DFIG的網(wǎng)側(cè)換流器的結(jié)構(gòu)與STATCOM非常類似，所以在系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生跌落的時候，可以讓網(wǎng)側(cè)換流器以STATCOM狀態(tài)進行工作，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)與機端電壓—無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表示機端電壓變換為無功電流的比例調(diào)節(jié)的增益；Ksl表示機端電壓變換為無功電流的積分調(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)子短路保護的技術(shù)

保護轉(zhuǎn)子短路可以在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)邊裝Crowbar電路，當檢測到電網(wǎng)的電壓發(fā)生大幅電壓跌落的時候，對雙饋感應(yīng)發(fā)電機的勵磁交流機產(chǎn)生閉鎖，與此同時投入轉(zhuǎn)子回路旁邊的保護機制，從而限制勵磁交流器的電流大小以及轉(zhuǎn)子的繞阻的電壓作用，以達到維持發(fā)電機不斷網(wǎng)運行的目的，這時雙饋感應(yīng)發(fā)電機以感應(yīng)電動機的方式進行運行，這是當前的風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，一個橋臂都有兩個二極管，且二極管串聯(lián)，直流側(cè)則增加一個吸收電阻和一個IGBT器件。

（2）混合型的Crowbar電路，一個橋臂也有兩個二極管串聯(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)子的電流會突然增大，當增大至越過之前設(shè)定轉(zhuǎn)子電流的限定值的時候，IGBT會被主動激活以保護電路的開通，于是Crowbar電阻則會等效的接入雙饋電機的轉(zhuǎn)子回路之中，而故障時候的電流則通過Crowbar電路流通，避免了電流直接通過變換器，與此同時閉鎖了PWM變換器，做到了對轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的保護，之后雙饋電機以類似鼠籠式的異步發(fā)電機的運行轉(zhuǎn)臺從電網(wǎng)中獲得部分的無功功率，一旦轉(zhuǎn)子的電流正常時，IGBT則關(guān)閉保護電路，雙饋電機重新回到正常狀態(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，可以為該期間將會提供通路，以解決可能會出現(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。

（1）成本增加，因為需要增加一些新的保護裝置。

（2）電路故障時，雖然保護了轉(zhuǎn)子繞組與勵磁變流器，但是同時以感應(yīng)電機方式運行的機組卻從系統(tǒng)中吸收了很多的無功功率，這樣會增加電網(wǎng)中電壓的不穩(wěn)定性，且一般傳統(tǒng)的Crowbar保護電路也會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

3 結(jié)語

風力發(fā)電系統(tǒng)是一個龐大的系統(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候，可以通過對系統(tǒng)的控制策略進行相關(guān)的改進，便可以有效的提升風電系統(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，此時便必須要通過增加硬件的方式，再跟之前的控制策略進行配合，綜合協(xié)調(diào)就可以實現(xiàn)風電系統(tǒng)并網(wǎng)中的LVRT的要求。

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