馮子木,孫國強,滕德紅,李群,劉建坤,趙靜波
(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京 211100;2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103)
在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的早期階段,受制于硬件與技術(shù)條件,陸上風(fēng)電場一直是投資建設(shè)的主流方向。然而,陸上風(fēng)能波動性大、陸上風(fēng)電場占陸地面積大、單機容量受限等問題越來越制約其發(fā)展。相較之下,海上風(fēng)電具有資源豐富、風(fēng)力穩(wěn)定、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用陸地資源、單機容量易擴展等優(yōu)點,符合當(dāng)前單機大容量的發(fā)展趨勢[1]。懸浮式海上平臺的出現(xiàn)以及海上遠距離電能傳輸解決方案的提出[2—6],為遠海風(fēng)電的發(fā)展提供了思路[7—8]。因此,海上風(fēng)電場裝機容量開始呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢[9]。中國東南沿海的負荷集中地區(qū),有著豐富的海上風(fēng)能資源[10—13],在未來發(fā)展海上風(fēng)電是解決其用電需求的重要手段。
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(directly-driven permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)相較于雙饋與半直驅(qū)發(fā)電機,無需齒輪箱等機組部件,有效降低了故障率,具有更高的可靠性,且綜合成本較低。未來大規(guī)模風(fēng)電場將以D-PMSG作為主要機型。為了保障電力系統(tǒng)的安全性與可靠性,低電壓穿越(low voltage ride-through,LVRT)是風(fēng)電場上網(wǎng)必須達到的技術(shù)指標(biāo)[14]。傳統(tǒng)策略使風(fēng)電場在并網(wǎng)點電壓跌落時主動脫網(wǎng),保障設(shè)備安全。但大裝機容量的風(fēng)電場主動脫網(wǎng)勢必會導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部潮流大幅轉(zhuǎn)移,觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)動作,造成電力系統(tǒng)解列運行、大范圍停電等嚴(yán)重后果[15—16]。
雖然風(fēng)電并網(wǎng)的LVRT問題研究較多,但大多集中于雙饋風(fēng)機[17]。D-PMSG與雙饋風(fēng)機在結(jié)構(gòu)上存在差異[18],故二者的LVRT策略也存在差異。文中根據(jù)D-PMSG運行及其LVRT期間的特點,從已有LVRT策略中篩選出適用于D-PMSG機組的技術(shù)手段進行綜述,評價、比較其優(yōu)缺點。并對LVRT策略進行分類,總結(jié)其共性與差異,展望未來的研究方向及工程應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)的D-PMSG控制策略通過機側(cè)換流器跟蹤功率指令實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤,通過網(wǎng)側(cè)換流器實現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)和單位功率因數(shù)控制[19—21]。
圖1中,風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械功率Pm;D-PMSG輸出的電磁功率為Ps;經(jīng)機、網(wǎng)側(cè)換流器變換,通過直流線路向電網(wǎng)送出的有功功率為Pg[22—23]。穩(wěn)態(tài)時,若忽略損耗,有Pm=Ps=Pg。當(dāng)電網(wǎng)故障引起電網(wǎng)電壓Ug跌落時,電網(wǎng)側(cè)的功率振蕩及換流器自身的限流措施等會引起電網(wǎng)電流Ig變化,導(dǎo)致D-PMSG網(wǎng)側(cè)換流器輸出功率Pg不穩(wěn)定[19]。由于全功率換流器的隔離作用,在電網(wǎng)電壓跌落過程中,Ps幾乎不變。此時Pm=Ps≠Pg,直流側(cè)功率無法平衡,并聯(lián)電容C上的直流電壓抬升并劇烈波動,影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行,情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)電場主動脫網(wǎng)[24]。
圖1 D-PMSG結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of D-PMSG
電力相關(guān)部門對風(fēng)電場LVRT提出了明確要求。風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落的一定范圍內(nèi),必須在保證自身系統(tǒng)安全運行的前提下不脫網(wǎng)運行,并應(yīng)能夠向電網(wǎng)提供無功功率,幫助電網(wǎng)恢復(fù)電壓[25—26]。風(fēng)電場LVRT要求如圖2所示,并網(wǎng)點電壓跌落至額定值的20%時,風(fēng)電機組不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms。在電壓跌落2 s內(nèi),若并網(wǎng)點電壓能恢復(fù)到額定電壓的90%,風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)能夠保持不脫網(wǎng)運行[27—28]。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點處的電壓在圖2中電壓曲線上方時,電網(wǎng)要求風(fēng)電場機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點處的電壓在圖2中電壓曲線下方時,風(fēng)電場的機組允許從電網(wǎng)切出[29—30]。
圖2 風(fēng)電場LVRT要求Fig.2 LVRT requirement of wind farm
目前一些風(fēng)力發(fā)電發(fā)達國家已經(jīng)制定了新的并網(wǎng)導(dǎo)則,定量規(guī)定了風(fēng)電場的脫網(wǎng)條件。只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至低于相應(yīng)的新規(guī)曲線時才允許脫網(wǎng),并且風(fēng)電場必須具備向電網(wǎng)提供無功功率的能力[31—32]?,F(xiàn)有提升LVRT能力的手段可分為:在風(fēng)電場送出的直流側(cè)加裝硬件保護電路;在并網(wǎng)點加裝電壓調(diào)節(jié)設(shè)備;在風(fēng)電場加裝儲能設(shè)備;通過改進的協(xié)調(diào)控制策略實現(xiàn)LVRT。
加裝硬件保護電路是最常見的提升風(fēng)電場LVRT能力的技術(shù)手段,其代表是撬棒(Crowbar)電路。Crowbar電路通過在線路中構(gòu)建額外通路消納不平衡功率,其應(yīng)用范圍涵蓋所有涉及功率不平衡問題的場合。因此,在D-PMSG全功率換流器內(nèi),或者風(fēng)電場的直流送出側(cè),可通過加裝Crowbar電路提升風(fēng)電場的LVRT能力。
Crowbar電路通常通過斬波(Chopper)電路的形式實現(xiàn)。文獻[33]從應(yīng)用性和經(jīng)濟性方面,對Chopper電路集中安裝在并網(wǎng)點交流側(cè)或直流側(cè)的技術(shù)方案進行了對比。與AC Chopper方案相比,DC Chopper方案具有盈余功率與耗能精準(zhǔn)匹配、系統(tǒng)波動小、恢復(fù)時間短、設(shè)備投資少、設(shè)備尺寸小、穩(wěn)態(tài)損耗小等優(yōu)點。裝設(shè)在風(fēng)電場側(cè)的AC Chopper和直流線路上的DC Chopper接入示意如圖3所示。若接入AC Chopper,其端口直接接入風(fēng)電場側(cè)換流器的出口交流母線;若接入DC Chopper,其2個端口并聯(lián)接入換流器間的直流線路。
圖3 AC Chopper和DC Chopper接入位置示意Fig.3 Schematic diagram of AC Chopper and DC Chopper insert locations
Crowbar電路通過増加額外的有功能量釋放回路,減小注入到直流母線的不平衡能量,避免直流母線過電壓。但在消耗不平衡能量的同時,切入的Crowbar硬件保護電路也屏蔽了換流器控制系統(tǒng)對直流電壓的控制以及直流兩側(cè)間的聯(lián)系,導(dǎo)致機側(cè)換流器無法有效控制風(fēng)電場側(cè)的輸出功率,降低了風(fēng)電機組運行穩(wěn)定性。若故障時間較長,易出現(xiàn)Crowbar電路頻繁投切問題,直流電壓往復(fù)振蕩,有功功率在系統(tǒng)和換流器間來回流動,不利于系統(tǒng)恢復(fù)。Crowbar電路的主要器件是耗能電阻,故障期間多余的能量以熱能形式直接耗散,能量利用效率低,且對器件熱穩(wěn)定性要求高。
為獲得更佳的性能,有研究嘗試對Crowbar電路結(jié)構(gòu)進行改進。文獻[34]為緩解感性元件的瞬態(tài)過電壓,提出2種改進思路。一是將Chopper電路替換為半橋型電路,實現(xiàn)電路的軟開關(guān);二是在換流器的每個子模塊上安裝制動電阻,實現(xiàn)靈活控制。前者的控制策略較為復(fù)雜,后者則不適用于已封裝完成的子模塊。
Crowbar電路是最常規(guī)的LVRT技術(shù),是換流器與風(fēng)電場設(shè)備的保護裝置。受限于Crowbar電路的作用機理,其無法作為電源對系統(tǒng)運行施加主動影響。未來的主要研究方向是Crowbar的開關(guān)策略和阻值設(shè)計對電力系統(tǒng)恢復(fù)特性的影響及其與其他控制策略配合的可能性[35—36]。
加裝硬件保護電路的方式是在風(fēng)電場側(cè)增加設(shè)備解決LVRT問題,而在電網(wǎng)側(cè)加裝附屬設(shè)備提升風(fēng)電場LVRT能力的思路是將電網(wǎng)側(cè)的電壓大幅跌落變?yōu)轱L(fēng)機送出端電壓的小幅跌落,進而降低對風(fēng)電場側(cè)LVRT能力的要求??刹捎玫母綄僭O(shè)備主要包括動態(tài)無功補償設(shè)備、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(dynamic voltage regulator,DVR)以及串聯(lián)動態(tài)制動電阻(series dynamic braking resistor,SDBR)。
動態(tài)無功補償裝置主要指靜止無功補償器(static var compensator,SVC)、靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)等響應(yīng)快速的無功補償設(shè)備[37]。SVC和STATCOM可以在不同程度上提高風(fēng)電場的暫態(tài)穩(wěn)定裕度[38—39],并從兩方面輔助風(fēng)電場實現(xiàn)LVRT。一是在電壓跌落時快速注入無功電流,支撐并網(wǎng)點電壓;二是對于不平衡故障,將不平衡跌落轉(zhuǎn)化為易于處理的三相平衡跌落。
通用SVC的接入示意如圖4所示。風(fēng)電場中常采用的SVC設(shè)備是晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR),其通過控制晶閘管的觸發(fā)角度[40],調(diào)節(jié)并網(wǎng)點的并聯(lián)阻抗大小,在0到滿發(fā)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)并網(wǎng)點無功電流。
圖4 SVC接入示意Fig.4 Schematic diagram of SVC accessed
STATCOM的接入示意如圖5所示。相比于SVC,STATCOM響應(yīng)速度快,能夠承受更長的暫態(tài)過程,且補償?shù)臒o功電流大小不受電壓跌落的影響[37]。由于STATCOM是基于電壓源換流器,其可通過更精確的解耦控制實現(xiàn)更多的控制方式組合[41]。
圖5 STATCOM接入示意Fig.5 Schematic diagram of STATCOM accessed
采用動態(tài)無功補償裝置的缺點是,裝置切入的瞬間會向電網(wǎng)注入較大的電流以滿足電壓恢復(fù)過程中所需的能量,而瞬間的大電流會對電力系統(tǒng)造成沖擊,影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
DVR相當(dāng)于串聯(lián)在電網(wǎng)中的動態(tài)受控電壓源,對其采用適當(dāng)控制,可使輸出電壓抵消電力系統(tǒng)擾動對負荷電壓造成的不良影響[42—43]。
與切入STATCOM需要瞬時注入大電流相比,DVR的優(yōu)勢在于只需注入較少的能量即可滿足電網(wǎng)電壓跌落時的LVRT要求。DVR的WINDFACT技術(shù)較為典型[44],如圖6所示。DVR投入時,開關(guān)1開斷。在正常運行狀態(tài),開關(guān)2均閉合,模塊3處于導(dǎo)通狀態(tài),所有低壓側(cè)電力電子元件均處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌落時,模塊3進入開斷模式,低壓側(cè)受控設(shè)備接入系統(tǒng),并在并網(wǎng)點產(chǎn)生額外電壓,輔助風(fēng)電場重建并網(wǎng)點電壓。當(dāng)DVR不投入系統(tǒng)時,開關(guān)1閉合。當(dāng)風(fēng)電場需要被切出系統(tǒng)時,開關(guān)1與開關(guān)2均開斷。
圖6 DVR的WINDFACT技術(shù)Fig.6 WINDFACT technology of DVR
文獻[45—46]通過安裝SDBR使風(fēng)電場在電網(wǎng)故障時盡量維持功率送出,SDBR接入示意如圖7所示[47—48]。SDBR的工作原理是:在電網(wǎng)故障時,通過將電阻元件接入電網(wǎng),增加機端到接地點的過渡電阻,緩解機端的電壓跌落,并通過電阻耗能形式消納多余有功功率。文獻[49]在此基礎(chǔ)上提出了靈活串聯(lián)制動電阻(flexible series braking resistors,FSBR),F(xiàn)SBR結(jié)構(gòu)如圖8所示。相較于傳統(tǒng)SDBR,F(xiàn)SBR增加了機端電壓與LVRT過程的可控性。文獻[50]將電阻換成了電容器,在電網(wǎng)出口處采用電容器串聯(lián)補償?shù)姆椒?,緩解作用到風(fēng)電場上的電壓降落。相較于電阻,電容的優(yōu)勢是損耗小、電壓抬升效果明顯,但弊端是可能引起過電壓,且會影響線路保護動作。
圖7 SDBR接入示意Fig.7 Schematic diagram of SDBR accessed
圖8 FSBR結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of FSBR
電壓調(diào)節(jié)裝置可在系統(tǒng)發(fā)生故障時緩解并網(wǎng)點的電壓跌落幅度,通過保證風(fēng)電場側(cè)的功率輸送能力使風(fēng)電場實現(xiàn)LVRT。其缺陷在于,基于無功補償和電壓調(diào)節(jié)手段無法從根本上解決功率不平衡問題。在近并網(wǎng)點故障嚴(yán)重時,依然無法支撐電壓。今后,功能更全面、占地面積更小的設(shè)備以及更加靈活的接入與控制策略將成為主要的研究方向。
在風(fēng)電場側(cè)或電網(wǎng)側(cè)加裝設(shè)備可以改善電壓跌落,但不能很好地應(yīng)對LVRT過程中的功率不平衡問題。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展,有研究提出使用充放電迅速、損耗低的新一代儲能設(shè)備替代耗能電阻吸收不平衡功率,再通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⒛芰炕厮碗娋W(wǎng),實現(xiàn)LVRT的同時將損耗降至最低。
文獻[51]提出應(yīng)用超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage,SMES)解決風(fēng)電場LVRT過程中的直流母線過電壓問題。SMES是近代新生的儲能系統(tǒng),具有存儲能量密度高以及無損耗的優(yōu)良特性[52]。相較于傳統(tǒng)直流保護系統(tǒng),SMES可以大電流充放電,具備優(yōu)良的可控性與高效的穩(wěn)壓能力,可在故障時實現(xiàn)電能的快速消納。SMES接入示意如圖9所示。在故障排除后,網(wǎng)側(cè)換流器可根據(jù)SMES的儲能狀態(tài)與并網(wǎng)點的電壓情況,判斷是否執(zhí)行恢復(fù)策略?;謴?fù)過程中,網(wǎng)側(cè)換流器以SMES的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為基準(zhǔn),控制向電網(wǎng)輸出的有功量,進而改變直流母線電壓。為了穩(wěn)定直流電壓,SMES會進入相應(yīng)的充放電狀態(tài)。當(dāng)SMES的狀態(tài)回歸正常水平后,網(wǎng)側(cè)換流器轉(zhuǎn)回正常運行控制策略。全恢復(fù)流程如圖10所示[53]。
圖9 SMES接入示意Fig.9 Schematic diagram of SMES accessed
圖10 基于網(wǎng)側(cè)換流器的SMES電能平衡策略Fig.10 The balance strategy of SMES power based on grid side converter
基于超級電容儲能(supercapacitor energy storage system,SCESS)的LVRT將Crowbar中的電阻器件替換成SCESS,避免器件發(fā)熱的同時,提高了系統(tǒng)的LVRT能力[54]。SCESS接入系統(tǒng)示意如圖11所示。由于目前超導(dǎo)條件要求高,SMES設(shè)備的投入和運營維護成本高。SCESS在降低儲能環(huán)境要求的同時,具備響應(yīng)速度快、可循環(huán)使用次數(shù)多和功率密度高的優(yōu)點,因此當(dāng)前SCESS應(yīng)用于D-PMSG風(fēng)電場的可行性更高。當(dāng)LVRT結(jié)束后,可與網(wǎng)側(cè)換流器的功率指令配合,將SCESS中的能量釋放給電網(wǎng),使整個系統(tǒng)回到初始狀態(tài)[55]。
圖11 SCESS接入示意Fig.11 Schematic diagram of SCESS accessed
儲能技術(shù)不僅是解決LVRT的重要策略,也是解決新能源消納問題的重要技術(shù)手段。在利用新一代儲能設(shè)備解決LVRT的同時,也應(yīng)當(dāng)利用其控制和調(diào)節(jié)層面的延展性,主動對系統(tǒng)施加有利影響。比如通過配合適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕谙到y(tǒng)正常運行時使風(fēng)電場具備參與調(diào)頻的能力[56]。當(dāng)前該方向的技術(shù)難題除了設(shè)備制造安裝維護外,還有在海上這類特殊應(yīng)用場合下儲能狀態(tài)的維持問題,今后可考慮利用海上懸浮波浪發(fā)電等就地發(fā)電裝置解決[57]。
上述通過加裝硬件設(shè)備解決LVRT問題的方法均會增加實際制造、運行和維護成本。因此有研究嘗試通過改進既有設(shè)備的運行控制模式,直接或間接解決功率不平衡問題或?qū)崿F(xiàn)與外部設(shè)備類似的功能。由于控制方式設(shè)計靈活、種類繁多,文中僅從控制對象上對該類方法進行總結(jié)。
變槳距角的控制邏輯如圖12所示。Pe為風(fēng)力機實際發(fā)出的電磁功率;Pe,ord為系統(tǒng)電磁功率的指令值;θmax為最大可調(diào)節(jié)槳距角;θord為槳距角控制指令。在檢測到并網(wǎng)點電壓跌落、有功送出能力下降時,可通過改變槳距角減小風(fēng)力機的風(fēng)能捕獲量,從而減小D-PMSG出力,緩解直流線路過電壓。文獻[58]采用了一種獨立槳距角控制模式,在傳統(tǒng)槳距角控制的基礎(chǔ)上提高了調(diào)度靈活性,同時避免了個別執(zhí)行器故障影響系統(tǒng)整體可靠性。
圖12 追蹤功率指令的槳距角控制邏輯Fig.12 The pitch angle control logic following the power order
然而變槳距角控制存在固有缺陷,從發(fā)現(xiàn)故障到變槳距角開始調(diào)節(jié)存在響應(yīng)時間。變槳距角調(diào)節(jié)是通過風(fēng)機上的專用電機實現(xiàn),與電力系統(tǒng)的故障響應(yīng)不在同一時間尺度,調(diào)節(jié)功率速度慢,無法達到快速響應(yīng)要求,因此該方法通常只作為輔助控制手段。在應(yīng)對非瞬時性故障,需要對輸出功率做長期調(diào)節(jié)時,該方法效果較好[59—60]。
有研究提出可改變機、網(wǎng)側(cè)換流器的控制模式,充分發(fā)揮全功率換流器作用,提升風(fēng)電場的LVRT能力[61—62]。該策略采用與傳統(tǒng)方式相反的控制模式,通過機側(cè)換流器控制直流母線電壓,通過網(wǎng)側(cè)換流器實現(xiàn)最大風(fēng)功率追蹤[63—65]。該方案下機側(cè)換流器的控制策略如圖13所示。比較直流側(cè)電壓Udc與其參考值Udc,ref、交流側(cè)電壓Uac與其參考值Uac,ref后,經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)得到電流dq軸分量的指令值。經(jīng)有功優(yōu)先限流控制后,電流指令值與實際電流dq分量Id,Iq作比較,經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)后輸出電壓dq軸指令值Vd,ord,Vq,ord到機側(cè)換流器。
圖13 機側(cè)電壓控制策略Fig.13 Control scheme of machine side voltage
該方案下網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略如圖14所示,分為有功優(yōu)先控制模式和無功優(yōu)先控制模式。
圖14 網(wǎng)側(cè)功率控制策略Fig.14 Control scheme of grid side power
圖14中,Pmppt,ord為風(fēng)機采用最大功率跟蹤策略的電磁功率指令值;Qref為根據(jù)需要自定的無功功率指令;Q為實發(fā)無功功率值;Upcc,nom為正常運行時并網(wǎng)點的電壓;Upcc為實際并網(wǎng)點的電壓,用于低電壓判斷;Id,Iq為實際電流的dq軸分量;Vd,ord,Vq,ord為輸出到換流器的電壓指令。正常運行時采用有功優(yōu)先控制模式,限流策略優(yōu)先限制無功電流,保證有功功率的有效追蹤。在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時,網(wǎng)側(cè)換流器將被調(diào)整運行在無功優(yōu)先狀態(tài),機側(cè)不平衡功率對直流母線充電,使直流母線電壓升高。檢測到電壓升高后,機側(cè)換流器及時調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩,降低電磁功率輸出[66—67],保證直流側(cè)的功率平衡與電壓穩(wěn)定。此時發(fā)電機輸出電磁功率將小于風(fēng)力機的機械功率,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速增加,即不平衡能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子機械能[68]。當(dāng)并網(wǎng)點電壓恢復(fù)后,可通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗葬尫胚^剩的轉(zhuǎn)子動能,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常水平。
采用轉(zhuǎn)子儲能存在弊端,當(dāng)電壓跌落程度較深或持續(xù)時間較長時,發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升,可能超出安全運行范圍。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速臨界時,風(fēng)電機組將無法繼續(xù)對有功輸出進行主動調(diào)節(jié)。若在正常運行中用機側(cè)換流器平衡直流電壓,風(fēng)速波動可能直接導(dǎo)致直流電壓不穩(wěn)定。因此僅建議在故障狀態(tài)下進行控制策略切換。
文獻[69]提出在LVRT期間,使網(wǎng)側(cè)換流器運行在STATCOM模式,實現(xiàn)與加裝無功補償設(shè)備相似的功能。文獻[70—71]提出利用虛擬同步機技術(shù)控制常態(tài)下的風(fēng)電場機、網(wǎng)側(cè)換流器的運行,在并網(wǎng)點發(fā)生電壓跌落時,通過模擬系統(tǒng)慣性實現(xiàn)LVRT。文獻[72]提出保持電網(wǎng)側(cè)換流器控制策略不變,通過風(fēng)電場側(cè)換流器實現(xiàn)風(fēng)電場電網(wǎng)側(cè)升頻和直流側(cè)電壓降低,進而快速降低外送的電磁功率,實現(xiàn)LVRT。
也有研究提出,機、網(wǎng)側(cè)換流器可與其他控制方法協(xié)調(diào)配合,通過適當(dāng)?shù)捻攲涌刂撇呗垣@得更好的效果。文獻[73]以模糊控制策略作為頂層策略,實現(xiàn)風(fēng)機側(cè)換流器與儲能裝置的協(xié)調(diào)控制,利用儲能裝置快速吸收不平衡功率,同時在可控范圍內(nèi)減小機側(cè)換流器輸出的電磁功率。文獻[74]提出將換流器控制、轉(zhuǎn)子儲能控制以及Crowbar電路相聯(lián)合的LVRT模式,由網(wǎng)側(cè)換流器提供無功支撐網(wǎng)側(cè)電壓,由轉(zhuǎn)子側(cè)慣性儲能和Crowbar電路消納不平衡功率。
改變控制策略的LVRT技術(shù)無需增加設(shè)備,只需改變既有設(shè)備運行模式,因此具有較大的設(shè)備成本優(yōu)勢。但由于沒有實體設(shè)備支撐,其能應(yīng)對的情況有限,響應(yīng)特性受系統(tǒng)影響較大。將控制策略疊加雖可收獲良效,但增加了控制層復(fù)雜度,易影響執(zhí)行效率,降低了系統(tǒng)的可靠性。
在實際應(yīng)用中,一方面,目前D-PMSG主要應(yīng)用在海上風(fēng)電場,其LVRT策略需滿足復(fù)雜度低、可靠性高的要求;另一方面,今后采用級聯(lián)直流升壓方式的全直流風(fēng)電場將會逐漸增多[75—78],風(fēng)電場內(nèi)的直流線路占比大幅增加。因此應(yīng)優(yōu)先考慮可直接作用在直流側(cè)的LVRT策略。各方案的優(yōu)缺點如表1所示。
表1 LVRT策略比較Table 1 The comparsion of LVRT schemes
總體來看,解決LVRT問題宜采用硬件策略為主、控制策略為輔的方式,并以能夠快速消納不平衡功率作為基本要求。具體如下:
(1) 可控耗能設(shè)備應(yīng)作為保護方案使用。在安裝可控耗能設(shè)備的基礎(chǔ)上,可再配置改進型換流器應(yīng)對較小的電壓跌落。
(2) 加裝電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的目的應(yīng)是服務(wù)電網(wǎng)為主,服務(wù)風(fēng)電場為輔。完全針對風(fēng)電場配置的電壓調(diào)節(jié)設(shè)備性價比低、局限性大,在未來將會逐漸減少。
(3) 在底層有硬件支撐的前提下,改進的換流器控制方法可作為一般LVRT問題的主策略。應(yīng)在保證良好效果的同時,盡可能簡化控制層。
(4) 儲能技術(shù)是未來解決LVRT問題的主要手段。儲能設(shè)備不僅可以與硬件設(shè)備配合,還可以通過控制層實現(xiàn)靈活調(diào)度。在成本允許的前提下,宜優(yōu)先采用儲能技術(shù)解決LVRT問題。
未來D-PMSG的LVRT策略應(yīng)做到調(diào)節(jié)與保護能力并重,在做到應(yīng)急響應(yīng)的同時,也能改善系統(tǒng)運行特性。收效良好的LVRT策略不只是多種方法的簡單雜糅,而應(yīng)具備規(guī)范的技術(shù)體系。
本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“基于可控移相器(TCPST)的柔性交流潮流運行控制技術(shù)研究”(J2019135)資助,謹此致謝!