雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究綜述

陳 曦，尚亞男

(1.大連供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，遼寧 大連 116024;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

面對(duì)煤、石油、天然氣等常規(guī)化石能源供應(yīng)日益緊張和用電需求不斷增長(zhǎng)的雙重壓力，發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為世界的共同選擇，其中風(fēng)能被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵭湍茉粗唬⒁虼说玫綇V泛的關(guān)注與發(fā)展。到2030年，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)計(jì)劃風(fēng)電發(fā)電比重達(dá)到23%[11];美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì) (AWEA)給出的同樣數(shù)字是20%[2];我國(guó)對(duì)2030年的風(fēng)能發(fā)展規(guī)劃做出了三種規(guī)劃方案，其中最高方案計(jì)劃風(fēng)電裝機(jī)比重和發(fā)電比重分別達(dá)到 17.4%和 9.8%[3]。

但與此同時(shí)，風(fēng)電裝機(jī)比重和單機(jī)容量的急速擴(kuò)大，使電力部門不得不重新評(píng)估它對(duì)電網(wǎng)的影響和應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。這種變化也表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將不可避免地被要求擁有與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一樣的表現(xiàn)性能和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，在這些標(biāo)準(zhǔn)中最具挑戰(zhàn)性的是低壓穿越特性 (LVRT)。本文介紹了DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的低壓穿越問(wèn)題和我國(guó)對(duì)于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的低壓穿越要求，以及目前關(guān)于低壓穿越的主要實(shí)現(xiàn)方法。

1 DFIG的低電壓穿越問(wèn)題

1.1 雙饋異步發(fā)電機(jī)

雙饋異步發(fā)電機(jī) (DFIG)屬于變速恒頻發(fā)電模式，它的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)一個(gè)背靠背的雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連，給發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁頻率 (轉(zhuǎn)差頻率)。和傳統(tǒng)的直接接入式風(fēng)電系統(tǒng)相比，只有20%～30%的發(fā)電功率通過(guò)了功率轉(zhuǎn)換器[4]，降低了功率轉(zhuǎn)換器件的損耗和經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)還具有無(wú)功有功可解耦控制、系統(tǒng)發(fā)電效率高、功率因數(shù)易于調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)[5]，因此雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)成為目前主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

雖然基于DFIG的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行下具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但是它對(duì)于電網(wǎng)擾動(dòng)特別是電壓跌落非常敏感。當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬間跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的滑差，從而引起定轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓。這些過(guò)電流通?？梢赃_(dá)到正常值的3倍，嚴(yán)重?fù)p壞定轉(zhuǎn)子繞組和換流器件。在風(fēng)速較高的情況下，即使故障切除，DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩有所增加，也難較快抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，從而導(dǎo)致吸收的無(wú)功功率進(jìn)一步增大，使得定子端電壓下降，進(jìn)一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。當(dāng)非對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)，這種情況還要更為嚴(yán)重。

1.2 低電壓穿越特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低壓穿越特性 (LVRT)要求電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。圖1顯示的是4個(gè)不同風(fēng)機(jī)的低壓穿越特性要求[6]，以丹麥國(guó)家電網(wǎng)要求為例，陰影部分表示風(fēng)機(jī)可以跳開(kāi)，其余部分風(fēng)機(jī)必須不間斷聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 不同國(guó)家的LVRT并網(wǎng)要求

1.3 我國(guó)并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)LVRT的要求

我國(guó)早期風(fēng)電行業(yè)顯現(xiàn)出“開(kāi)發(fā)規(guī)模大、集中程度高、建設(shè)速度快、設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低”的特點(diǎn)，由于風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力導(dǎo)致的大范圍風(fēng)電切機(jī)情況在東北吉林電網(wǎng)及西北電網(wǎng)的甘肅玉門風(fēng)電場(chǎng)、甘肅安西中廣核大梁子風(fēng)電場(chǎng)、寧夏賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)都發(fā)生過(guò)。我國(guó)早期的《GB/Z19963—2005風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》并沒(méi)有對(duì)風(fēng)機(jī)的電壓穿越特性做出要求，此后經(jīng)過(guò)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)研究，結(jié)合國(guó)家大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的實(shí)際情況和產(chǎn)生的問(wèn)題，在2009年全國(guó)電力監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)印發(fā)的《GB/T—200X風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 (征求意見(jiàn)稿)》和國(guó)家電網(wǎng)公司印發(fā)的《Q/GW392—2009風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》才對(duì)風(fēng)機(jī)的電壓穿越能力做出首次規(guī)定，規(guī)定指出:對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量占其他電源總?cè)萘勘壤笥?%的省 (區(qū)域)級(jí)電網(wǎng)，該電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有低電壓穿越能力，如圖1所示。

a. 風(fēng)電場(chǎng)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)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms的能力。

b. 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

2 DFIG低電壓穿越技術(shù)

2.1 基于Crowbar電路的LVRT技術(shù)

文獻(xiàn) [7－8]詳細(xì)分析了Crowbar保護(hù)策略，這是目前風(fēng)機(jī)系統(tǒng)最為常見(jiàn)的保護(hù)方式，如圖2所示。該方法在電壓跌落期間，通過(guò)電阻將轉(zhuǎn)子側(cè)短路，為暫態(tài)電流提供一個(gè)旁路。此時(shí)合理的選擇旁路電阻顯得非常重要，一方面必須足夠小用以限制轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的末端電壓，同時(shí)又需要增大阻值來(lái)限制過(guò)流[7]，不同阻值的仿真結(jié)果在文獻(xiàn) [8]中有詳細(xì)介紹。

圖2 DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的Crowbar配置圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流或直流母線側(cè)電壓超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，Crowbar電路激活，反之退出運(yùn)行。基于Crowbar電路的LVRT技術(shù)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制相對(duì)容易、成本較為低廉的特點(diǎn)，所以工程中普遍采用。

2.2 基于勵(lì)磁控制的LVRT技術(shù)

針對(duì)DFIG機(jī)端電壓小值跌落的情況，文獻(xiàn)[9－10]提出了不附加外在電路，僅僅依靠改變控制方式的LVRT技術(shù)。文獻(xiàn) [9]分析指出電網(wǎng)故障時(shí)在定子磁鏈中引起的暫態(tài)直流分量和正、負(fù)序分量是造成轉(zhuǎn)子過(guò)電流的重要原因。因此提出了利用發(fā)電機(jī)定子電阻實(shí)現(xiàn)定子磁鏈直流分量的自由衰減，同時(shí)建立dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正負(fù)序轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓控制器來(lái)限制轉(zhuǎn)子電流，如圖3所示。

文獻(xiàn) [10]指出，無(wú)論是定子磁鏈定向(SFO)還是定子電壓定向 (SVO)的矢量控制都是假定電網(wǎng)電壓理想，這與故障過(guò)程中的電壓實(shí)際情況不符。因此該文章建立了考慮DFIG定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，提出了計(jì)及定子勵(lì)磁電流變化補(bǔ)償量的改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)控制器，在SFO和SVO兩種方式下對(duì)解耦電路進(jìn)行了必要的修正，如圖4所示。

圖4 計(jì)及定子勵(lì)磁電流變化補(bǔ)償量的轉(zhuǎn)子側(cè)控制器

2.3 基于附加設(shè)備的LVRT技術(shù)

許多學(xué)者研究指出，Crowbar電路的投入和退出對(duì)DFIG的暫態(tài)電磁沖擊較大且無(wú)助電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定與恢復(fù)。由于電壓和無(wú)功的強(qiáng)相關(guān)性，在電網(wǎng)故障期間，DFIG應(yīng)能提供有效的無(wú)功支撐維持電壓穩(wěn)定，此時(shí)GSC的控制目標(biāo)不再是無(wú)功交換量為0，轉(zhuǎn)而進(jìn)入電壓控制模式[11]。但是由于GSC的容量限制，在較為嚴(yán)重的電壓跌落時(shí)并無(wú)法提供足夠的無(wú)功功率，因此需要借助附加設(shè)備實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的低壓穿越。

2.3.1 基于并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的LVRT技術(shù)

文獻(xiàn)[12]提出采用基于電流注入法的并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，例如靜止同步補(bǔ)償器STATCOM或者靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC來(lái)維持電壓恒定。SVC和STATCOM均采用電力電子開(kāi)關(guān)器件，能夠快速調(diào)節(jié)注入系統(tǒng)的無(wú)功電流。SVC是目前應(yīng)用較普遍的無(wú)功補(bǔ)償裝置，技術(shù)比較成熟，通過(guò)控制晶閘管的開(kāi)通來(lái)改變阻抗特性，從而提供大小不等的無(wú)功功率。而STATCOM是最近發(fā)展的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)控制可關(guān)斷器件的通斷來(lái)向系統(tǒng)提供無(wú)功。采用SVC和STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)配置圖如圖5所示，其典型控制方式如圖6[13]和圖7所示[14]。

2.3.2 基于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的LVRT技術(shù)

文獻(xiàn)[15]指出采用基于電流注入法的并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備來(lái)維持電壓恒定難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娫吹刃ё杩挂话愫苄?，需要非常大的注入電流才能補(bǔ)償?shù)潆妷?。?dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR被認(rèn)為是目前解決電壓跌落問(wèn)題的最有效裝置，其典型應(yīng)用如圖8所示。采用DVR的控制單元在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)快速檢測(cè)并產(chǎn)生SVPWM波形驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓。通過(guò)疊加DVR補(bǔ)償電壓，DFIG定子側(cè)電壓恢復(fù)正常，確保風(fēng)機(jī)安全渡過(guò)電網(wǎng)故障時(shí)期。

DVR控制環(huán)節(jié)的主要目的是產(chǎn)生補(bǔ)償電壓。文獻(xiàn) [16－18]分別提出了不含負(fù)序分量的旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的雙閉環(huán)控制;包括內(nèi)環(huán)的PID電流控制器和外環(huán)的比例諧振電壓控制器的多閉環(huán)控制方案;基于比例諧振和H∞的電壓控制器。但文獻(xiàn)[9]指出對(duì)于DFIG系統(tǒng)，具有電流控制環(huán)的DVR控制策略并不合適，因?yàn)樵摽刂颇繕?biāo)會(huì)和DFIG控制策略發(fā)生沖突。因此該文獻(xiàn)提出了舍棄電流環(huán)的PI前饋控制方式，如圖9所示。

圖8 含DVR的DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)配置圖

圖9 DVR電壓控制器框圖

3 LVRT技術(shù)總結(jié)

不同的LVRT實(shí)現(xiàn)技術(shù)各有不足，Crowbar電路對(duì)DFIG的暫態(tài)電磁沖擊較大且不利于電壓穩(wěn)定?；趧?lì)磁控制的實(shí)現(xiàn)方法只能用于電網(wǎng)小值電壓跌落的情形;基于電流注入法的LVRT技術(shù)本意并不是對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流進(jìn)行保護(hù)，而是在Crowbar電路激活，RSC功能被凍結(jié)，DFIG以異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間提供足夠的無(wú)功需求，因此這兩種方案都必須配合Crowbar電路一起使用?；贒VR的LVRT技術(shù)意在實(shí)現(xiàn)DFIG定子側(cè)的無(wú)故障過(guò)渡，其難點(diǎn)之一在于故障期間DVR需要有足夠的容量吸收DFIG產(chǎn)生的有功功率，這必然會(huì)影響到該方案的經(jīng)濟(jì)性。此外基于附加設(shè)備的LVRT技術(shù)都需要風(fēng)機(jī)槳距角調(diào)節(jié)單元協(xié)調(diào)控制，在故障期間適時(shí)降低風(fēng)機(jī)的有功輸出，以達(dá)到更好的控制目標(biāo)。工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同LVRT技術(shù)配合使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在電網(wǎng)對(duì)稱/不對(duì)稱、零電壓/低電壓故障下呈現(xiàn)“暫態(tài)弱生存性”，加劇了我國(guó)大規(guī)模風(fēng)機(jī)并入弱電網(wǎng)的安全形勢(shì)。風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力仍然是制約我國(guó)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的主要問(wèn)題之一，本文在分析介紹了雙饋異步風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越問(wèn)題和我國(guó)對(duì)于LVRT的要求同時(shí)，對(duì)不同的LVRT技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析和評(píng)價(jià)。

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