王磊

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

在當(dāng)今的時(shí)代之中，世界對(duì)于能源的問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，對(duì)于一個(gè)國(guó)家而言，能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展之中以及社會(huì)生活水平的提升之中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)槭偷榷紝儆诓豢稍偕哪茉?，其使用?duì)于生態(tài)環(huán)境的破壞也是十分巨大的，因此，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以及當(dāng)今能源環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們不得不尋找新的能源。風(fēng)能就是一項(xiàng)十分重要的新能源，在當(dāng)今，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)得到了良好的發(fā)展，尤其是雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用，更是讓風(fēng)電系統(tǒng)得到顯著的進(jìn)步與發(fā)展。

1 關(guān)于雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中的低電壓穿越技術(shù)

在風(fēng)電機(jī)組之中，低壓穿越的能力指的是當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落情況下，風(fēng)力機(jī)可以繼續(xù)保持并網(wǎng)的狀態(tài)，甚至能夠?qū)o(wú)用功向著電網(wǎng)提供，對(duì)電網(wǎng)的恢復(fù)起到積極的促進(jìn)作用，一直到電網(wǎng)完全恢復(fù)正常，而在這個(gè)低電壓的時(shí)間以及區(qū)域之內(nèi)進(jìn)行穿越。在當(dāng)今，世界上主要的風(fēng)電技術(shù)包括變槳距調(diào)節(jié)、定槳距調(diào)節(jié)、變速恒頻以及主動(dòng)時(shí)速調(diào)節(jié)技術(shù)[1]。在這些風(fēng)電技術(shù)之中，變速恒頻風(fēng)電技術(shù)憑借其最大風(fēng)能追蹤利用率的良好，運(yùn)行的范圍比較寬、以及功率控制策略的靈活有效等諸多的優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)電系統(tǒng)之中得到了廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)電機(jī)的發(fā)展之中，交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的應(yīng)用以及永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用是其主要的方向。雙饋式發(fā)電機(jī)大多應(yīng)用的是定子磁場(chǎng)的定向矢量來(lái)進(jìn)行控制，而定子磁場(chǎng)之中的定向就是把同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系之中，d軸和電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶恐g重合，進(jìn)而對(duì)定子磁場(chǎng)基礎(chǔ)上，定向雙饋式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)之下的有功功率以及無(wú)功功率的解耦勵(lì)磁控制的模型進(jìn)行推導(dǎo)，這樣就可以讓勵(lì)磁控制系統(tǒng)的模型得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化[2]。除了這種方法之外，還有應(yīng)用電網(wǎng)的電壓進(jìn)行定向以及氣縫磁場(chǎng)進(jìn)行定向等的方法。

DTC是直接轉(zhuǎn)矩控制的簡(jiǎn)稱，應(yīng)用這種控制方法，不需要像對(duì)矢量進(jìn)行控制一樣對(duì)一系列坐標(biāo)進(jìn)行變換，也不需要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行模仿，而是直接對(duì)電動(dòng)機(jī)磁鏈以及轉(zhuǎn)矩加以控制，讓轉(zhuǎn)矩得以快速地響應(yīng)，進(jìn)而使其控制性能變得更加高效。在當(dāng)今的DTC研究之中已經(jīng)得到了很大的進(jìn)展，但是對(duì)于理論與實(shí)際的結(jié)合還不是十分成熟，比如低速的性能以及負(fù)載能力等。在我國(guó)，DTC技術(shù)依然處在初期的研究階段之中，但是收到這一技術(shù)的啟發(fā)，VSCF雙饋風(fēng)電系統(tǒng)直流功率的開(kāi)控制已經(jīng)被提出，DPC就是其簡(jiǎn)稱。DPC并沒(méi)有復(fù)雜的坐標(biāo)變換，它的實(shí)現(xiàn)方法和雙饋式的風(fēng)電機(jī)有很大的相似性，它可以將雙饋風(fēng)電機(jī)的定子側(cè)的有功功率以及無(wú)功功率直接作為被控量，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行控制[3]。對(duì)于輸出量，應(yīng)該根據(jù)電壓矢量的選擇表對(duì)轉(zhuǎn)子變頻器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)加以確定。

因?yàn)榛Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)有著響應(yīng)速度快、對(duì)參數(shù)變化不敏感、容易實(shí)現(xiàn)以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了風(fēng)電系統(tǒng)之中。但滑模變結(jié)構(gòu)有著切換抖動(dòng)的缺點(diǎn)，容易沖擊到風(fēng)電機(jī)械設(shè)備，所以應(yīng)該將這一問(wèn)題加以有效解決。近代國(guó)內(nèi)外的相關(guān)專家通過(guò)這一理論進(jìn)行了新的控制方法設(shè)計(jì)，其中有自適應(yīng)的控制方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法、模糊控制方法等，同時(shí)在進(jìn)行控制的過(guò)程中，也會(huì)將這些控制方法進(jìn)行組合或者是復(fù)合應(yīng)用。

2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中低電壓穿越技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分析

2.1 轉(zhuǎn)子保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

轉(zhuǎn)子保護(hù)技術(shù)在當(dāng)今的風(fēng)電系統(tǒng)制造之中是制造商們所常用的一種方法，這種方法主要是借助于硬件的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，將Crowbar轉(zhuǎn)子的保護(hù)電路裝置在其發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一側(cè)，給轉(zhuǎn)子這一側(cè)的電路提供出旁道，如果檢測(cè)出電網(wǎng)系統(tǒng)之中存在故障，并且出現(xiàn)了電壓跌落的情況，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)之中的勵(lì)磁變流器就會(huì)閉鎖，并投入到轉(zhuǎn)子的回路旁道之中，對(duì)裝置起到有效的保護(hù)作用，并且讓從勵(lì)磁變流器之中通過(guò)的電流與轉(zhuǎn)子的繞組達(dá)到有效的過(guò)電壓保護(hù)作用，進(jìn)而讓發(fā)電機(jī)得以不脫網(wǎng)運(yùn)行，在這一過(guò)程中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)是按照感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式來(lái)運(yùn)行的[4]。在當(dāng)今，Crowbar有著以下的兩種典型電路：

第一是混合橋型的Crowbar電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，每一個(gè)橋臂都是通過(guò)控制器件以及二極管進(jìn)行串聯(lián)而組成的。

第二是IGBT型的Crowbar電路，如圖2所示，每一個(gè)橋臂都是通過(guò)兩個(gè)二極管進(jìn)行串聯(lián)，并在直流的一側(cè)串聯(lián)進(jìn)一個(gè)IGBT器件以及一個(gè)吸收電阻所組成的。

勵(lì)磁交流器也就是轉(zhuǎn)子端的變流器在電網(wǎng)有故障發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)，和電網(wǎng)、轉(zhuǎn)子的繞組始終保持著連接的狀態(tài)，在Crowbar投入到工作之中的時(shí)候，雙饋電動(dòng)機(jī)就可以變成感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)繼續(xù)運(yùn)行，所以，在從故障的發(fā)生到故障的消除這段時(shí)間之內(nèi)，雙饋發(fā)電機(jī)都可以和電網(wǎng)保持同步運(yùn)行的狀態(tài)。在消除了電網(wǎng)的故障之后，將功率開(kāi)關(guān)關(guān)掉，就可以切除Crowbar，讓雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)之中。在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，低電壓的檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)按照所接入的電網(wǎng)一方實(shí)際的需求對(duì)電壓的限值進(jìn)行合理設(shè)定，通過(guò)額定電壓百分比對(duì)電壓降低的程度來(lái)進(jìn)行定義，也可以對(duì)低壓的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，如果電網(wǎng)之中的電壓比設(shè)定電壓低，系統(tǒng)就會(huì)將這樣的情況判定為低壓事件，并立即以受到低壓影響的嚴(yán)重等級(jí)作為依據(jù)，將一些其他器件的電源切換成備用的電源，這樣就可以保證風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，讓主控制器以及變流器的系統(tǒng)可以通過(guò)相應(yīng)的措施保障機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)，也可以將非關(guān)鍵的器件切斷，進(jìn)而使得相關(guān)部件不會(huì)因?yàn)檫^(guò)高的電流而造成傷害。而且，控制系統(tǒng)也要對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子端進(jìn)行電流的監(jiān)測(cè)，如果電網(wǎng)之中出現(xiàn)了低電壓的情況，并且其持續(xù)的時(shí)間也超出了設(shè)定的范圍之內(nèi)，交流器的控制器就會(huì)將轉(zhuǎn)子的短路保護(hù)裝置啟動(dòng)，進(jìn)而有效預(yù)防功率器件遭到損壞[5]。在低壓事件結(jié)束之后，發(fā)電機(jī)的輸出功率才可以重新進(jìn)行提升，此時(shí)，主控制器才可以把系統(tǒng)切換到正常的工作狀態(tài)之下進(jìn)行運(yùn)行。

2.2 對(duì)控制策略進(jìn)行改進(jìn)的方法

為了讓成本得以有效的控制，很多專家學(xué)者都在找尋一種不增加硬件的電路，僅僅通過(guò)相關(guān)的改良策略就可以讓風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越得以實(shí)現(xiàn)的方法。通過(guò)相關(guān)專家和學(xué)者們的不斷研究，最終總結(jié)出了幾種新的控制策略。

對(duì)基于可靠的控制技術(shù)H∞以及μ-analysis的方法進(jìn)行全新的控制器設(shè)計(jì)，對(duì)多種的不利條件加以全面考慮。這種控制器有著以下的控制思路：第一，在發(fā)生故障的期間，因?yàn)殡娋W(wǎng)不能對(duì)能量進(jìn)行提供或者吸收，所以此時(shí)就應(yīng)該將風(fēng)電機(jī)的參考功率設(shè)置為零。第二，在故障發(fā)生的過(guò)程中，依然要對(duì)轉(zhuǎn)子的一側(cè)進(jìn)行控制。第三，在相關(guān)文獻(xiàn)之中所建立的H∞控制器，其網(wǎng)側(cè)的控制器應(yīng)該被用來(lái)對(duì)直流電壓故障以及定子電壓故障進(jìn)行檢測(cè)，這樣就可以讓電流的信號(hào)產(chǎn)生，進(jìn)而讓故障量得到有效補(bǔ)償。其轉(zhuǎn)子一側(cè)的控制器被用來(lái)對(duì)有功異常以及無(wú)功異常進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)有轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效補(bǔ)償。

在相關(guān)的文獻(xiàn)之中，指出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在進(jìn)行低電壓穿越的過(guò)程中，最重要的難點(diǎn)就是在發(fā)生故障的時(shí)間段之中，轉(zhuǎn)子之中有反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，之所以會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，主要是通過(guò)定子的磁鏈直流、負(fù)序、分量和轉(zhuǎn)子所決定的。在相關(guān)的文獻(xiàn)之中，通過(guò)這個(gè)原理，利用限制反電動(dòng)勢(shì)的方法對(duì)短路的過(guò)程之中過(guò)電流的情況加以限制，以下就是其主要的思路：第一，通過(guò)轉(zhuǎn)子的電壓讓定子磁鏈之中的直流分量以及負(fù)序分量作用得以減弱。第二，定向轉(zhuǎn)子的電流，讓轉(zhuǎn)子的電流可以抵消掉轉(zhuǎn)子磁鏈之中的一部分直流分量以及負(fù)序分量，同時(shí)，為了讓轉(zhuǎn)子之中的電流以及直流電壓暫態(tài)的響應(yīng)不會(huì)過(guò)大，就應(yīng)該仔細(xì)斟酌低效部分的分量比例。第三，如果可以將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)之中的定子以及轉(zhuǎn)子漏感予以增加，就可以讓轉(zhuǎn)子的電流抵消作用得以增強(qiáng)，讓機(jī)組低電壓的穿越能力得以提升。

在不進(jìn)行電路加設(shè)的情況下，僅僅對(duì)控制策略加以改進(jìn)就能夠?qū)⒁恍┝康臅簯B(tài)相應(yīng)進(jìn)行減弱。通過(guò)能量守恒的原理來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析，在電網(wǎng)之中有故障發(fā)生的時(shí)候，發(fā)電機(jī)一端的電壓就會(huì)低于其平時(shí)的工作電壓，這就意味著系統(tǒng)向電網(wǎng)所輸送的電能就無(wú)法維持在正常的狀態(tài)。同時(shí)，因?yàn)殡p饋風(fēng)電系統(tǒng)有著較大的饋性，因此，在短時(shí)間之內(nèi)，調(diào)槳系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)能的調(diào)節(jié)范圍也是十分有限的，所以其捕獲到的風(fēng)能之中就會(huì)有一部分處于過(guò)剩的狀態(tài)，此時(shí)如果僅僅應(yīng)用控制器；來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，并不能讓這些能量得到一個(gè)足夠的釋放通道[6]。因此，實(shí)際上，我們可以認(rèn)為借助于控制策略的改進(jìn)就可以讓電壓以及電流達(dá)到均衡的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而保障這兩個(gè)值都不會(huì)過(guò)高的狀態(tài)下，通過(guò)系統(tǒng)自身來(lái)吸收掉這一部分的能量。但是，這樣的方法僅僅在電壓跌落并不是非常嚴(yán)重的條件之下才比較適用，而一旦電壓的跌落十分嚴(yán)重，僅僅憑借控制策略來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，低電壓的穿越是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，在這樣的情況下，就一定要進(jìn)行硬件的加設(shè)來(lái)起到輔助電路的作用。

3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中低壓穿越技術(shù)發(fā)展的方向分析

通過(guò)以上的分析與研究可以發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)，雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，低壓穿越技術(shù)的發(fā)展可以總結(jié)為以下的幾個(gè)方面：

建立起與我國(guó)的實(shí)際電網(wǎng)情況相符合的低壓穿越技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，讓風(fēng)電設(shè)備的生產(chǎn)商以及風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)商在相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)制造以及應(yīng)用之中都具有可以參考的依據(jù)。如果一個(gè)地區(qū)有著較強(qiáng)的電網(wǎng)，就可以將低電壓的穿越技術(shù)要求得以適當(dāng)放寬，進(jìn)而讓工程的成本得以有效降低，但是在有著弱電網(wǎng)的區(qū)域之中，就應(yīng)該對(duì)低壓穿越的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)予以嚴(yán)格執(zhí)行，這樣才可以有效保障電網(wǎng)以及相關(guān)機(jī)組的運(yùn)行安全。

因?yàn)殡p饋式風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的控制本質(zhì)就是控制勵(lì)磁變頻器，因此在各種電網(wǎng)的故障發(fā)生時(shí)，雙饋式風(fēng)電機(jī)組控制策略的改進(jìn)應(yīng)該成為低電壓穿越技術(shù)在未來(lái)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。尤其是對(duì)于并不嚴(yán)重的電網(wǎng)故障，在處理的過(guò)程中，就可以優(yōu)先考慮在不增加硬件設(shè)備的條件下對(duì)控制方法進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于當(dāng)今的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)以及勵(lì)磁變頻器而言，其瞬態(tài)的數(shù)字模型在精確度方面依然有著一定的不足，并不能將雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)處于各種電壓故障之下電磁響應(yīng)的情況加以如實(shí)反映，這樣的情況就對(duì)相關(guān)保護(hù)裝置以及控制策略設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性造成不利影響。因此，對(duì)含有保護(hù)裝置的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)字模型構(gòu)建將會(huì)成為未來(lái)對(duì)低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行研究的重點(diǎn)。

在對(duì)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的快速無(wú)功補(bǔ)償方法以及電力電子的相關(guān)穩(wěn)壓裝置進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以適當(dāng)將電壓驟降的時(shí)候?qū)﹄p饋式風(fēng)電系統(tǒng)所帶來(lái)的沖擊予以降低，同時(shí)通過(guò)雙饋式的發(fā)電機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓故障的修復(fù)以及電壓的穩(wěn)定。這對(duì)于未來(lái)的低壓穿越技術(shù)研究而言將是一個(gè)十分先進(jìn)而且可行性很高的控制思想。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)今的風(fēng)力發(fā)電以及風(fēng)電并網(wǎng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用與飛速發(fā)展之中，風(fēng)電的電網(wǎng)將會(huì)得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)而言，電網(wǎng)的規(guī)程在其運(yùn)行的方面將會(huì)有著越來(lái)越高的要求。在電網(wǎng)的故障從發(fā)生一直到消除的這一段時(shí)間之內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)不可以只為了自身的安全將其與電網(wǎng)之間的聯(lián)系切斷，而是應(yīng)該對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的維修任務(wù)予以承擔(dān)。因?yàn)殡p饋式風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障的期間內(nèi)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)為電網(wǎng)提供有效的無(wú)功補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的低壓穿越功能。通過(guò)這樣的方式，就可以讓風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障的發(fā)生期間維持電網(wǎng)正常運(yùn)行，進(jìn)而有效滿足當(dāng)今社會(huì)人們的用電需求，促進(jìn)風(fēng)電企業(yè)的良好經(jīng)營(yíng)與發(fā)展。這對(duì)于節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧發(fā)展都將起到十分積極的促進(jìn)作用。