牛進(jìn)才 王正創(chuàng) 唐瑞華 丁為民

（1.巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000；2.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

0 引言

風(fēng)能已成為我國發(fā)展最快的可再生能源，因其出色的低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到大力的發(fā)展。目前，風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量正在逐年增加，風(fēng)力發(fā)電“十三五”規(guī)劃將原規(guī)劃的2020年風(fēng)電總裝機(jī)容量上調(diào)至2.1億千瓦以上，“十三五”規(guī)劃綱要明確提出將繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，減少棄風(fēng)限電現(xiàn)象的發(fā)生，大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行已成為發(fā)展趨勢。從電網(wǎng)運(yùn)行的安全角度考慮，要求并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力。風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越（LVRT）能力，是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍之內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，穿越電壓跌落區(qū)，直至電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。世界各國均對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。中國國家電網(wǎng)公司規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越要求為[1]：

（1）要求風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力；

（2）風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生電壓跌后3 s內(nèi)能夠快速恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組仍能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行。

除上述規(guī)定外，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力要求風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷對電網(wǎng)提供一定的無功功率，以支撐電網(wǎng)電壓[2]。由風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的程度決定其提供無功功率的大小。一般情況下，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組不參與電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率調(diào)整，但在需要時(shí)要求其根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令合理分配風(fēng)電機(jī)組的有功功率。

1 電壓跌落對直流母線的影響

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按照發(fā)電方式的不同可分為恒速恒頻系統(tǒng)（CSCF）和變速恒頻系統(tǒng)（VSCF）兩大類。目前，VSCF風(fēng)電系統(tǒng)己逐步代替CSCF風(fēng)電系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍更加廣泛。雙饋型機(jī)組和永磁直驅(qū)型機(jī)組在VSCF發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用較多，發(fā)電效率較高。在雙饋型風(fēng)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)通過增速齒輪箱與發(fā)電機(jī)藕合，雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過功率變流器與電網(wǎng)耦合。發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)子變流器和定子繞組將所發(fā)電能饋入電網(wǎng)，同時(shí)電網(wǎng)也可以向其輸入一定的無功功率。針對雙饋型風(fēng)電機(jī)組，由于受電力電子功率器件的過流能力限制，其是否能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越，一直被學(xué)術(shù)界研究和關(guān)注。永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組通過背靠背全功率變流器與電網(wǎng)隔離，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間不是直接相連，而是通過全功率變流器與電網(wǎng)耦合，因此永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的沖擊較小，低電壓穿越能力具有一定的優(yōu)勢，并能對電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償[3-4]。由于其機(jī)側(cè)變流器未直接和電網(wǎng)連接，因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，功率將繼續(xù)從風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳送到機(jī)側(cè)變流器。網(wǎng)側(cè)變流器由于受電網(wǎng)故障的影響，同時(shí)又受到額定電流的限制，不能將機(jī)側(cè)變流器輸出的功率全部輸送至電網(wǎng)，多余的能量將存儲(chǔ)在直流環(huán)節(jié)的母線電容器之中，使直流側(cè)母線電壓驟升，甚至危害全功率變流器的安全運(yùn)行。為避免對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，同時(shí)要在網(wǎng)側(cè)變流器交流端加裝濾波裝置。

直流側(cè)母線電容主要起能量緩沖的作用，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠并網(wǎng)運(yùn)行，直流側(cè)母線電壓能夠維持平衡，流過直流母線電容的電流近似為零，且不會(huì)產(chǎn)生大的電壓波動(dòng)。若忽略功率開關(guān)器件和線路的功率損耗，可近似認(rèn)為背靠背變流器兩側(cè)的瞬時(shí)功率相等，即機(jī)側(cè)變流器的輸入功率等于網(wǎng)側(cè)變流器的輸出功率。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，電網(wǎng)電壓egd階躍跌落至，機(jī)側(cè)變流器輸出的功率保持不變，由于全功率變流器的瞬時(shí)功率保持平衡，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器的有功電流從igd階躍上升至，即機(jī)側(cè)變流器輸出的有功功率為：

由公式（3～6）可知，機(jī)側(cè)變流器輸出的剩余功率ΔP將存儲(chǔ)于直流環(huán)節(jié)的電容器當(dāng)中，勢必電容器端電壓Udc將高于電容器的起始電壓，直至滿足。因此為防止過電流損壞全功率變流器，必須對其進(jìn)行限流保護(hù)[5-6]。假設(shè)過電流限流幅值用標(biāo)幺值進(jìn)行表示，取1.5 p.u，若電網(wǎng)發(fā)生短路故障前全功率變流器以額定功率運(yùn)行，電網(wǎng)故障后電網(wǎng)電壓跌落至額定電壓的20%，則，顯然此時(shí)的電流必須達(dá)到5 p.u才能實(shí)現(xiàn)功率平衡，遠(yuǎn)大于限流幅值的1.5 p.u。此時(shí)大量的能量將存儲(chǔ)于直流母線側(cè)的電容器當(dāng)中，使直流母線電壓驟升，進(jìn)而損壞變流器，甚至造成風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的解列運(yùn)行，失去低電壓穿越能力。因此必須采取措施消除直流側(cè)母線過電壓。

2 基于耗能型Crowbar的低電壓穿越控制策略

為減少直流側(cè)母線過電壓，增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，文獻(xiàn)[7-11]對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了研究，其主要策略為：

（1）在發(fā)電機(jī)定子側(cè)加裝基于能量卸荷單元的撬棒電路，卸荷電阻經(jīng)過晶閘管與風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)連接；

（2）在電網(wǎng)側(cè)加裝基于交流開關(guān)的保護(hù)電路，通過控制交流開關(guān)的狀態(tài)來確定風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的連接狀況；

（3）在DC-link上加裝耗能單元，當(dāng)檢測到直流母線電壓過高時(shí)，通過卸荷電阻釋放多余的能量；其電路結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)可靠，在風(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

（4）在DC-link上加裝儲(chǔ)能單元，當(dāng)檢測到直流母線電壓過高時(shí)，將多余的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元中，故障消除后再將存儲(chǔ)的能量回饋至電網(wǎng)；

（5）額外加裝一套備用網(wǎng)側(cè)變流器，當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，利用備用變流器轉(zhuǎn)移多余的能量。

針對控制策略（3），本文采用基于耗能型Crowbar電路的低電壓穿越控制策略，其由兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，如圖1和圖2所示。在圖1的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間，加裝耗能單元，卸荷電阻通過絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）與直流母線并聯(lián)，通過控制電路對IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，維持直流側(cè)母線電壓恒定。圖2的卸荷電阻與電感器串聯(lián)，經(jīng)過晶體管和IGBT以及直流母線側(cè)電容器后，組成Buck電路。由Buck變換器消耗掉直流母線側(cè)多余的能量。引入Buck變換器后，降低了功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的沖激電流。延緩了直流母線側(cè)電容電壓的上升和下降速度，最終維持直流側(cè)母線電壓恒定。

圖1 基于卸荷電阻的耗能型Crowbar電路圖

圖2 基于Buck電路的耗能型Crowbar電路圖

利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，采用合理的控制方式，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)IGBT的占空比，進(jìn)而維持直流母線恒定。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，耗能型Crowbar電路不會(huì)被切入運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，發(fā)生電壓跌落時(shí)，進(jìn)入低電壓區(qū)域后，切入保護(hù)電路。直流母線側(cè)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過卸荷電阻消耗掉多余的功率，以此來抑制直流側(cè)母線過電壓。當(dāng)電網(wǎng)故障解除后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，Crowbar保護(hù)電路隨即自動(dòng)切除。卸荷電阻的阻值取決于消耗的功變化量和直流母線的峰值電壓，若忽略電路元件的非線性作用，則有：

Crowbar電路的控制方程為：

其中，Udc_max為直流母線側(cè)所允許的最大峰值電壓，ΔP為機(jī)側(cè)變流器的輸出功率與網(wǎng)側(cè)變流器的輸入功率之差，Idc_max為直流側(cè)母線所允許的最大峰值電流，C為直流側(cè)母線電容。

3 控制策略的仿真分析

基于上述的控制策略和分析方法，建立起耗能型Crowbar風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力控制模型，利用matlab/simulink仿真工具箱，對其進(jìn)行仿真分析。以電力系統(tǒng)的故障類型中概率最大的單相接地短路故障為例，分析由此引起的電壓跌落現(xiàn)象。假設(shè)電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障，電網(wǎng)系統(tǒng)在0.33 s時(shí)發(fā)生電壓跌落事故，電壓跌落深度為50%左右，在0.43 s后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行?；诖思僭O(shè)，系統(tǒng)在0.33 s時(shí)發(fā)生電壓跌落，進(jìn)入低電壓區(qū)域后，切入耗能型Crowbar電路，功率偏差通過耗能電阻消耗掉。0.43 s后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)切除該電路。其基于Buck電路的耗能型Crowbar電路低電壓穿越控制策略仿真參數(shù)選擇為：

電阻R=0.005 Ω，電感L=0.01 mH，直流母線峰值電壓Udc_max=1.1 p.u。風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓、電流波形如圖3所示，電壓和電流的幅值用標(biāo)幺值進(jìn)行表示。

風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率和無功功率如圖4所示。通過其波形可以看出，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率降低，并向系統(tǒng)提供一定的無功功率。當(dāng)電網(wǎng)故障排除后，機(jī)組輸出的有功功率和無功功率恢復(fù)正常。仿真結(jié)果也表明直流母線電壓較為平穩(wěn)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，其電壓發(fā)生波動(dòng)，但其波動(dòng)幅度不超過4%。

4 結(jié)論

由仿真結(jié)果來看，采用耗能型Crowbar電路作為風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制策略，其電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，電壓跌落時(shí)，一部分能量被耗能電阻單元所消耗。系統(tǒng)的有功功率恢復(fù)較快，但無功功率恢復(fù)較慢，可采用一些無功補(bǔ)償裝置，例如采用并聯(lián)移相電容，靜止無功補(bǔ)償器和靜止無功發(fā)生器等對其進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 電壓、電流波形圖（標(biāo)幺值）

圖4 有功、無功功率（標(biāo)幺值）

為增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，可在機(jī)側(cè)變流器串聯(lián)或并聯(lián)耗能電阻，也可在直流母線上串接耗能電阻，以此來限制直流側(cè)過電流。通過電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測等手段，合理規(guī)劃電源的分布情況，將大數(shù)據(jù)與電網(wǎng)相結(jié)合，通過建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，減少電網(wǎng)的電壓跌事故。采用超級電容器，超導(dǎo)儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能等新的儲(chǔ)能技術(shù)，讓風(fēng)電機(jī)組穿越電壓跌落區(qū)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。