關(guān)于直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的思考

孫嘉

摘 要 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷提升，各國(guó)在電網(wǎng)準(zhǔn)則中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低壓穿越能力提出了更高要求。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的常見(jiàn)類型進(jìn)行總結(jié)，并從電壓跌落、三相對(duì)稱跌落中網(wǎng)測(cè)變流器分析、直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓保護(hù)、無(wú)功支持控制策略四方面，論述了直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；低壓穿越技術(shù)；無(wú)功支持

前言

人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源支持，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，世界各國(guó)對(duì)能源的需求量正在逐漸增加，導(dǎo)致不可再生能源的消耗速度越來(lái)越快。站在可持續(xù)發(fā)展角度考慮，人們需要對(duì)一些清潔能源、可再生能源等進(jìn)行深入研究，避免能源枯竭，提高地球環(huán)境質(zhì)量。最重要的是，可再生能源能夠?qū)崿F(xiàn)資源的循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)家發(fā)展?jié)摿Φ挠行嵘?/p>

1 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的常見(jiàn)類型

1.1 撬棒電路

撬棒技術(shù)最早出現(xiàn)在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之中，主要的作用是對(duì)轉(zhuǎn)子變流器提供保護(hù)作用。撬棒電路在一般電路中主要起轉(zhuǎn)子短路保護(hù)作用，該電路可直接接入到轉(zhuǎn)子的繞組當(dāng)中，避免電流和電壓出現(xiàn)過(guò)高情況。一般來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)在發(fā)生故障之后，應(yīng)緊急啟動(dòng)撬棒電路，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)等轉(zhuǎn)換器便會(huì)退出運(yùn)行。當(dāng)故障完全被消除之后，撬棒電路會(huì)被切出，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)條件。在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的撬棒電路與機(jī)組中的應(yīng)用方式大致相同。目前，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)生對(duì)低壓穿越技術(shù)進(jìn)行了研究，其中常用的研究方案包括以下幾種類型：第一，在發(fā)電機(jī)的定子側(cè)增加電阻阻值；第二，在電網(wǎng)側(cè)加入保護(hù)電路；第三，在母線上接入還能單元；第四，在直流母線上安裝儲(chǔ)能單元。

1.2 發(fā)電機(jī)定子側(cè)增加保護(hù)電路

在發(fā)電機(jī)定子側(cè)保護(hù)過(guò)程中，相關(guān)工作人員最先想到的便是將撬棒保護(hù)方案加入到定子層的發(fā)電機(jī)中，形成卸荷電路。一般來(lái)說(shuō)，卸荷電阻可通過(guò)功率開(kāi)關(guān)與發(fā)電機(jī)的定子側(cè)相互連接。該電路的工作原理如下：當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率增加時(shí)，其中一部分功率會(huì)經(jīng)過(guò)功率開(kāi)關(guān)器輸送到交流器之中，此時(shí)將卸載電阻投入其中，可分擔(dān)一部分能量，從而保證功率輸出和輸入的平衡。在這種方案應(yīng)用過(guò)程中，可在風(fēng)速過(guò)大和電網(wǎng)電壓跌落后，維持風(fēng)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。

1.3 電網(wǎng)側(cè)保護(hù)電路

電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)電路以交流開(kāi)關(guān)的保護(hù)電路為主，該電路的工作原理如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓正常運(yùn)行中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中絕大多數(shù)輸出功率將會(huì)到負(fù)載上，多余的則會(huì)被電網(wǎng)所吸收，當(dāng)機(jī)組輸出功率不足時(shí)，負(fù)載也會(huì)將電網(wǎng)中的一部分力量傳遞給機(jī)組。另外，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障之后，工作人員可通過(guò)交流開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載與電網(wǎng)之間的有效連接。此時(shí)如果電網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只需要對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)即可，整體工作并不會(huì)受到電網(wǎng)故障的影響。當(dāng)電網(wǎng)故障修復(fù)之后，可將交流開(kāi)關(guān)進(jìn)行閉合，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)便會(huì)重新被啟動(dòng)。

1.4 直流側(cè)保護(hù)電路

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，在直流側(cè)添加撬棒電路是最常用也是技術(shù)最完善的一種方式。這其中包括卸荷電阻功率器件與直流側(cè)相連，這種方式由于連接簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用頻率較高。其次是卸荷電阻經(jīng)降壓電路與直流側(cè)相連。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，撬棒電路處于不工作狀態(tài)，一旦有電壓跌落等故障出現(xiàn)時(shí)，撬棒電路便會(huì)被啟動(dòng)，去消耗電網(wǎng)中的多余能量，直線直流側(cè)和電網(wǎng)之間的功率平衡，為母線電壓提供安全與穩(wěn)定。上述兩種方案均具備較高的可靠性，但也存在很多缺點(diǎn)，如負(fù)載容量較大等，需要對(duì)散熱工作進(jìn)行進(jìn)一步處理。針對(duì)上述兩種電路中存在的不足，人們?cè)陔娐分杏旨尤肓艘环N能量?jī)?chǔ)存裝置，利用雙流向的電力電子變流器為能量平衡制造條件。假設(shè)當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落問(wèn)題時(shí)，部分多余的能量將會(huì)儲(chǔ)存在各種儲(chǔ)能設(shè)備之中；另外，當(dāng)直流側(cè)的電壓供給不充分時(shí)，可將儲(chǔ)存中的電量釋放出來(lái)，為電網(wǎng)提供有功功率。該方案的優(yōu)勢(shì)較為明顯，可對(duì)直流側(cè)的電壓穩(wěn)定提供基礎(chǔ)，不會(huì)出現(xiàn)能源的過(guò)度浪費(fèi)。但也存在一部分缺點(diǎn)，那便是設(shè)備成本過(guò)高，整體結(jié)構(gòu)也變得更為復(fù)雜。

2 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 電壓跌落

電壓跌落主要指電網(wǎng)電壓在短時(shí)間內(nèi)驟然下降，一般來(lái)說(shuō)，這種情況的持續(xù)時(shí)間會(huì)在0.5到30個(gè)周波范圍內(nèi)。但在實(shí)際定義過(guò)程中，人們對(duì)電壓跌落的定義進(jìn)行統(tǒng)一。在對(duì)電壓跌落進(jìn)行分析過(guò)程中，會(huì)將跌落電壓的均方根值與額定電壓的均方根值進(jìn)行比較，并將它們的比值稱之為跌落幅值，將跌落從發(fā)生到結(jié)束過(guò)程中所經(jīng)歷的時(shí)間稱之為持續(xù)時(shí)間。在電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生之后，往往會(huì)引發(fā)電壓相位的突然改變，這便是人們常說(shuō)的相位跳變。另外，在電壓跌落過(guò)程中，所引發(fā)的原因也存在很大區(qū)別，主要原因包括以下三部分內(nèi)容：電網(wǎng)故障所引起的電壓跌落、發(fā)電機(jī)故障所引起的電壓跌落和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)快所引起的電壓跌落。在電網(wǎng)故障之中，電壓跌落和恢復(fù)的時(shí)間十分短暫，而在其他電機(jī)啟動(dòng)所引起的電壓跌落之中，其恢復(fù)的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)，通常在幾秒鐘左右。在跌落的起始階段之中，由于整體受到慣性作用，使其產(chǎn)生了電壓源的作用，從而降低了電壓的跌落時(shí)速[2]。

2.2 三相對(duì)稱跌落中網(wǎng)測(cè)變流器分析

在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)會(huì)通過(guò)全功率變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的完全隔離，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落問(wèn)題時(shí)，如果采取變流器整合措施，便可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行不會(huì)受到故障影響，從而實(shí)現(xiàn)低壓穿越技術(shù)的合理使用。因此，當(dāng)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)處于三相對(duì)稱跌落時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)測(cè)的變流器進(jìn)行合理分析，其中運(yùn)行狀態(tài)分析最為關(guān)鍵。在變流器使用過(guò)程中，變流器的種類有很多，其中常用的有背靠背變流器和轉(zhuǎn)子層變流器等。對(duì)于背靠背變流器而言，直流母線主要作用于變流器和主網(wǎng)測(cè)之間的能量緩沖。從理論上來(lái)說(shuō)，如果網(wǎng)側(cè)變流器在瞬時(shí)電流值上與轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器相同，那么通過(guò)直流電容器中的電流將會(huì)為零，此種情況便不會(huì)引起直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)。但在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)變流器具有延遲性，這讓網(wǎng)側(cè)變流器中直流電流和其他變流器中的電流很難進(jìn)行匹配。

2.3 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓保護(hù)

隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不斷完善，以及人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電要求的不斷提升，風(fēng)力 發(fā)電低壓技術(shù)受到了人們的格外關(guān)注。結(jié)合以往的文獻(xiàn)研究，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低壓穿越技術(shù)只要包括以下幾種：第一，在直流母線中接入耗能單元，當(dāng)母線電壓過(guò)高時(shí)消耗掉多余能量。第二，在母線中設(shè)置儲(chǔ)能單元，將母線中的多余能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。第三。在網(wǎng)側(cè)中并聯(lián)一個(gè)電力電子輔助變流裝置，在電網(wǎng)出現(xiàn)跌落故障之后，利用該裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。在此過(guò)程中，基于耗能Crowbar的過(guò)電保護(hù)方案最為常見(jiàn)。在應(yīng)用過(guò)程中，該保護(hù)方案可以通過(guò)卸荷電阻實(shí)現(xiàn)功率件與直流側(cè)的相互連接。由于Crowbar的保護(hù)，電網(wǎng)對(duì)永磁發(fā)電機(jī)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，但在電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程中，直流母線將會(huì)對(duì)電壓機(jī)側(cè)的軸電流產(chǎn)生輕微影響，但對(duì)電網(wǎng)整體的影響并不大。除了變流器的安全之外，電壓跌落會(huì)消耗一部分能量，此時(shí)采用Crowbar保護(hù)電路，不僅操作簡(jiǎn)單，而且具有較強(qiáng)的可靠性[3]。

2.4 無(wú)功支持控制策略

在直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)使用過(guò)程中，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)大量的無(wú)功需求，與此同時(shí)，電網(wǎng)可能還會(huì)對(duì)風(fēng)點(diǎn)系統(tǒng)提出像火力發(fā)電廠一樣的要求，方便對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行輸出，并將功率因數(shù)控制在一定范圍之內(nèi)，還能在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。通過(guò)以往研究經(jīng)驗(yàn)可知，電網(wǎng)電壓的控制網(wǎng)變流器可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功有有功的各自調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障之后，可在風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電網(wǎng)側(cè)交流器提供靜止無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功支持。總的來(lái)說(shuō)，網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)功補(bǔ)償措施有很多，無(wú)功電流也會(huì)通過(guò)PI調(diào)節(jié)器獲得定值，當(dāng)參考電流較小時(shí)，可利用電壓外環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)力資源是清潔的可再生資源，風(fēng)力發(fā)電也是目前新能源技術(shù)中最為成熟的項(xiàng)目之一。目前，人們對(duì)風(fēng)電在能源中的調(diào)整作用越來(lái)越重視，并研究了很多新型技術(shù)。低壓穿越技術(shù)可根據(jù)風(fēng)能的捕捉特點(diǎn)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行建立，為人們對(duì)風(fēng)能利用的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)，有利于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。

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