風力發(fā)電低電壓穿越技術

文/王子若鵠 王云亮 周雪松 馬幼捷

1 介紹

根據(jù)許多國家最近的電網(wǎng)規(guī)范，風電機組在電網(wǎng)故障時需要保持連接，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。雙饋感應發(fā)電機(DFIG)在風能轉換系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，近年來對其低壓穿越(LVRT)技術進行了廣泛的研究。

DFIG的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉子繞組由背對背的三電平變換器供電。通過控制轉子和電網(wǎng)側變流器，可以調整DFIG特性，使風力機的有效功率轉換或捕獲能力達到最大，控制風力機的發(fā)電，波動較小。功率變換器通常采用矢量控制技術、對有功功率和無功功率進行解耦控制。

轉子側變換器的目的是控制獨立活動和無功功率在電網(wǎng)，而電網(wǎng)側變換器直流母線電容電壓保持在一組值不論轉子功率的大小和方向，保證轉爐操作統(tǒng)一功率因數(shù)(無功功率為零)。在電壓下降的情況下，發(fā)電機側和并網(wǎng)側變換器的控制器通過將多余的有功功率儲存在發(fā)電機的慣量中，并保持直流環(huán)節(jié)電壓不變，實現(xiàn)了低壓共線的要求。它會引起轉子繞組過電壓和過電流，從而損壞轉子側變換器。

2 主要的電網(wǎng)問題

隨著風力發(fā)電的發(fā)展，風能轉換系統(tǒng)與電網(wǎng)的相互作用將給系統(tǒng)的安全可靠運行帶來新的問題。間歇性風電的高滲透可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生以下影響：電網(wǎng)穩(wěn)定性差、低頻操作、低功率因數(shù)的影響、功率流、短路等。

2.1 電壓工作范圍

風力渦輪機需要在典型的電網(wǎng)電壓變化范圍內運行。為保證電網(wǎng)安全可靠運行，風電場電壓(kV)運行電壓限值應在國家規(guī)定的范圍內。

2.2 頻率工作范圍

風力渦輪機需要在典型的電網(wǎng)頻率變化范圍內運行。頻率容差范圍為47.5 ～ 51.5 Hz。除此之外，公差范圍由制造商指定。風力渦輪機應該能夠承受0.5赫茲/秒的頻率變化。

2.3 有功功率控制

這是風力發(fā)電機根據(jù)系統(tǒng)要求調節(jié)風力發(fā)電機有功功率輸出的能力。用于保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，防止輸電線路超載，風力發(fā)電機在啟動和關閉過程中遠離大電壓波動和涌流。

2.4 頻率控制

網(wǎng)格代碼要求風電場提供頻率調節(jié)能力，以幫助維持所需的電網(wǎng)頻率。系統(tǒng)頻率是系統(tǒng)功率平衡的主要指標。

2.5 電壓無功控制

電網(wǎng)規(guī)范要求單個風力發(fā)電機通過自動調壓器將自身的端電壓控制到一個恒定值，并提供動態(tài)無功控制能力，使無功平衡和功率因數(shù)保持在期望的范圍內。風電場的功率因數(shù)應保持在0.95落后至0.95領先。

3 低電壓穿越的發(fā)展

低壓穿越(LVRT)，是指當風力機網(wǎng)絡電壓下降時，風力機可以維持電網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一些無功功率，支持電網(wǎng)恢復直至電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”低壓時間(區(qū)域)。不同國家(地區(qū))對LVRT提出的要求是不一樣的，中國標準是20%電壓，625 ms，接近AWEA(美國風能協(xié)會)的標準。本文簡要介紹了雙饋感應發(fā)電機和PMSG的低電壓穿越技術。

雙饋感應發(fā)電機的低電壓穿越技術：

雙饋感應發(fā)電機定子側直接與電網(wǎng)連接，電網(wǎng)與電網(wǎng)直接耦合，使電網(wǎng)電壓降直接反映在定子端電壓上，造成定子磁通直流分量發(fā)生，在不對稱故障時會出現(xiàn)負序分量。直流分量和負序分量的定子磁通對高速運行的電動機轉子將形成更大的滑移(分別轉差頻率附近的ks和2ks,ks是同步角頻率),導致更大的轉子電勢和更大的轉子電流,導致轉子電路中電壓和電流大幅度增加。對于雙饋感應發(fā)電機，從電壓下降到恢復，AC/DC/AC變換器連接到轉子側，轉子功率電子器件具有有限的過電壓和過電流能力。如果不采取控制措施限制電壓降中的故障電流，較高的暫態(tài)轉子電流將對脆弱的電力電子設備構成威脅。變換器的輸入輸出功率不匹配可能導致DC-link電壓升高或下降，因此雙饋感應發(fā)電機的低電壓穿越實現(xiàn)較為復雜。下面簡要介紹幾種雙饋感應發(fā)電機低電壓穿越實現(xiàn)。

在雙饋感應發(fā)電機運行控制中，傳統(tǒng)的基于定子磁場方向或定子電壓方向的矢量控制方法得到了廣泛的應用。在這種控制方法中，常用的PI調節(jié)器實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調節(jié)，并具有一定的抗干擾能力。

4 雙饋感應發(fā)電機建模與控制

在基于雙饋感應發(fā)電機的風能轉換系統(tǒng)中，功率電子變換器只需要處理總功率的一小部分(20-30%)。這意味著電力電子變換器的損耗可以減少，相比之下，電力電子變換器必須處理總功率的系統(tǒng)。此外，該轉換器的成本變得更低。雙饋感應發(fā)電機的定子電路與電網(wǎng)連接，轉子電路通過滑環(huán)與變頻器連接，如圖1所示。

圖2所示為任意參照系中以同角速度旋轉的雙饋感應發(fā)電機等效電路。

定子和轉子電壓在同步參考系中可以表示為：

圖1：基于DFIG的風力機工作原理

圖2：DFIG的等效電路圖

5 發(fā)展趨勢

大規(guī)模的風力渦輪機。可以減少面積，降低并網(wǎng)成本和機組發(fā)電成本，提高風能的利用率。風力發(fā)電機正變得無刷。無刷可提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)免維護，提高發(fā)電效率。

在強電網(wǎng)區(qū)域，可以適當放寬低電壓穿越要求，從而降低項目成本。在弱電地區(qū)，有必要實施嚴格的低電壓穿越標準，以確保電網(wǎng)和機組的安全。由于雙饋感應發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)運行控制本質上是控制勵磁頻率，因此對于各種電網(wǎng)故障情況，改進雙饋感應發(fā)電機控制策略將是今后低電壓穿越研究的重點。特別是在電網(wǎng)故障較輕的情況下，采用不增加硬件的改進控制方法。

6 結論

隨著以雙饋感應發(fā)電機為主體的大型風力發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，提高并網(wǎng)風力發(fā)電能力顯得尤為重要。電力系統(tǒng)將對并網(wǎng)風電機組在電網(wǎng)電壓降的情況下提出更高的要求，風力發(fā)電系統(tǒng)必須具備低壓穿越能力，因此提高低壓穿越能力將是未來研究的熱點。雖然雙饋感應發(fā)電機在世界上仍然是主流的發(fā)電方式，但近年來，直接驅動永磁同步發(fā)電機由于其結構更加簡單、低電壓穿越性能更好，在市場上的份額逐年增加。