論述風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)

郭子豪

摘要：隨著工業(yè)化的進程加快，能源問題日趨尖銳化，世界各國都在開發(fā)新的可再生能源，利用風(fēng)力發(fā)電也在全球范圍內(nèi)日趨盛行。我國的風(fēng)電的裝機容量在近幾年內(nèi)也獲得了快速地增長。低電壓穿越是風(fēng)力電網(wǎng)中的重要技術(shù)，我國的風(fēng)力電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展對低電壓穿越技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文分析了風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;電壓跌落;低電壓穿越

引言

隨著能源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化，風(fēng)能作為一種高效清潔無污染的新能源逐漸引起人們的重視，已成為致力于可再生能源利用國家面對能源危機的共同選擇，經(jīng)過近年的飛速發(fā)展，已成為我國三大能源之一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也隨之得到迅猛發(fā)展。我國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，是一個風(fēng)力資源豐富的國家。近年來，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，截至2013年底我國風(fēng)電新增裝機容量16088.7MW，同比增長24.1%;累計裝機容量91412.89MW，同比增長21.4%，新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界前列。大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)將會對原有電網(wǎng)的功率傳輸方向、電網(wǎng)電壓、頻率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、諧波污染、線路損耗和保護裝置等產(chǎn)生不利影響，提高風(fēng)電穿透功率、開展風(fēng)功率預(yù)測、研究低電壓穿越和動態(tài)無功補償?shù)燃夹g(shù)將會對解決上述問題產(chǎn)生積極作用?；陲L(fēng)能隨機性和波動性的特點，加之風(fēng)電裝機容量占電網(wǎng)總?cè)萘勘壤^大時會對電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生不利影響，合理協(xié)調(diào)分配風(fēng)電場與原有電源之間的出力關(guān)系，減小風(fēng)電場并網(wǎng)對輸電網(wǎng)的沖擊，使其能向常規(guī)電源發(fā)展將是構(gòu)建統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)和分布式電源發(fā)電的重要組成部分。本文詳細綜述了現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展所面臨的難點和研究的熱點，并展望了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景及風(fēng)力發(fā)電趨勢。

1變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)概述

近年來，社會進步和人類生活水平的提高造成能源消耗不斷加劇，能源危機已經(jīng)成為阻礙人類社會發(fā)展的頭等問題。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源儲量豐富。因此合理開發(fā)利用風(fēng)力資源，既可以解決能源短缺，又可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。目前各個國家政府開始重視和支持風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電各項技術(shù)也逐步趨于成熟，迎來了發(fā)展的新機遇。在最新的“十三五”規(guī)劃中，國家將建設(shè)西部風(fēng)電大基地，要求風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展“穩(wěn)中求進”。截至2015年，全國及全球累計并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量分別達到145 GW和432 GW。目前主流的風(fēng)電系統(tǒng)為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，分為雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩類。變速恒頻系統(tǒng)是一種新型風(fēng)電系統(tǒng)，起步于上世紀(jì)70年代，通過變流器控制電機轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)變速，大幅提升風(fēng)能利用率。但目前該系統(tǒng)的低電壓穿越能力不足已成為風(fēng)電機組大規(guī)模脫網(wǎng)的最主要原因之一，因此本文將對此系統(tǒng)的低電壓穿越特性做重點研究。

2電壓跌落對風(fēng)電系統(tǒng)的影響

2.1FSIG的暫態(tài)過程

FSIG定子側(cè)和電網(wǎng)直接連接，其特點是轉(zhuǎn)速不能控制并且無功需要吸收，電網(wǎng)電壓如果出現(xiàn)跌落，會直接使異步電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速在暫態(tài)過程中出現(xiàn)飛升的問題，使電機出現(xiàn)嚴(yán)重地?fù)p壞，大量無功在電網(wǎng)中被異步電機吸收，這些因素都在電網(wǎng)的復(fù)原中形成阻礙。

2.2DFIG的暫態(tài)過程分析

DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)直接連接，電網(wǎng)電壓跌落會引起雙饋電機定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的變化，由于磁鏈?zhǔn)睾悴荒芡蛔?，定子和轉(zhuǎn)子繞組中會出現(xiàn)暫態(tài)直流分量，不對稱故障時還會有負(fù)序分量，由暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁鏈來抵消定子電壓跌落產(chǎn)生的磁鏈變化。因感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，直流暫態(tài)分量將會導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子電路中感應(yīng)電壓和電流的升高，嚴(yán)重時會超過電力電子器件和電機的安全限定值，造成設(shè)備的損壞;同時暫態(tài)過程會造成DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的波動，這將給齒輪箱造成機械沖擊，影響風(fēng)電系統(tǒng)的壽命。

2.3對電網(wǎng)調(diào)度的影響

風(fēng)能的不可控性使其很難像傳統(tǒng)能源一樣具有良好的可調(diào)性和預(yù)測性，風(fēng)電接入電網(wǎng)后，使得系統(tǒng)的備用容量增大。因常規(guī)火電機組的投運需要長達幾小時，若系統(tǒng)的備用容量不足，則會限制風(fēng)電場的接入。風(fēng)電并網(wǎng)常常會出現(xiàn)“削谷填峰”的現(xiàn)象，即在高峰負(fù)荷期風(fēng)能很少，而在低谷負(fù)荷期風(fēng)能發(fā)電量卻很大。這使得電網(wǎng)調(diào)度工作具有一定的難度，通常采用儲能技術(shù)將低谷負(fù)荷期的電能存儲起來，在高峰期時饋入電網(wǎng)，達到“削峰填谷”的效果。

3風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)實現(xiàn)方案

3.1定速異步發(fā)電機中實現(xiàn)低電壓穿越

定速異步發(fā)電機在電壓跌落過程中，會出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)速增加，根本原因是由于電磁轉(zhuǎn)動距離縮短，由于定速異步發(fā)電機的內(nèi)部構(gòu)造簡單，變槳控制是針對它最好的辦法，這種辦法的原理是當(dāng)檢查出故障后，通過及時變槳來縮短電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定水平。定速異步發(fā)電機的風(fēng)機槳葉產(chǎn)生的慣性很大，變槳控制方法要想發(fā)揮最好水平，在風(fēng)機的變槳能力方面要求很高，電網(wǎng)的無功也無法通過變槳控制來實現(xiàn)，給電網(wǎng)的恢復(fù)提供支持。

3.2基于變流器控制

電網(wǎng)穩(wěn)定時，控制變流器以獲得系統(tǒng)最佳工作性能;當(dāng)電網(wǎng)故障時，則需保持風(fēng)電系統(tǒng)安全渡過暫態(tài)區(qū)域，并向電網(wǎng)注入一定量的無功。為提升風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，需考慮過壓過流對設(shè)備的損害問題，一般從2方面考慮：1）增大器件的容量和提高器件的器件耐壓性能;2）改進控制策略。為增大變流器容量，提高耐壓性能，采取的措施包括串并聯(lián)功率器件，引入矩陣變換器或多電平變流技術(shù)，為大功率變流器在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，也使得系統(tǒng)具備一定的低電壓穿越能力，但是提升程度有限。針對電網(wǎng)電壓跌落中出現(xiàn)的問題，在穩(wěn)態(tài)控制的基礎(chǔ)上，采取改進的變流器控制策略，提升系統(tǒng)的暫態(tài)適應(yīng)能力從而實現(xiàn)低電壓穿越。因并網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同采取的控制方式各異，下面結(jié)合DFIG和PMSG系統(tǒng)分別對不同控制方法進行分析。

3.3低電壓穿越

低電壓穿越（Lowvoltageridethrough，LVRT）在一定范圍內(nèi)上可歸納為：應(yīng)用電力電子技術(shù)解決電網(wǎng)發(fā)生故障時，保持風(fēng)電場在一定時間內(nèi)不脫網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供一定的無功功率支持“穿越”這段低電壓時間的能力。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，風(fēng)電機組通常處于被動式自我保護而從電網(wǎng)中解列，當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例不大時是可以接受的。然而，隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增大，若電網(wǎng)故障時仍采取被動式解列運行，則在電網(wǎng)的故障上又加了一個擾動源，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)解列。

結(jié)語

隨著以雙饋感應(yīng)發(fā)電機為主體的大型風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，提高并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電能力顯得尤為重要。電力系統(tǒng)將對并網(wǎng)風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓降的情況下提出更高的要求，風(fēng)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(yīng)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(qū)動永磁同步發(fā)電機由于其結(jié)構(gòu)更加簡單、低電壓穿越性能更好，在市場上的份額逐年增加。

參考文獻

[1]王偉，孫明，朱曉東.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，31（23）：84-89.