淺析雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)

朱黎

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電是在我國新能源戰(zhàn)略下開發(fā)與應(yīng)用的新型發(fā)電模式，成為全球發(fā)展速度最快的清潔能源，也促使雙饋式發(fā)電機(jī)成為應(yīng)用最廣的，集變速運行與變流器容量小優(yōu)點為—體的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。過去應(yīng)用的保護(hù)設(shè)備要求與電網(wǎng)解列，失去電網(wǎng)的支撐作用，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，基于此，當(dāng)電網(wǎng)、電壓跌落時風(fēng)電場需維持一定時間，確保電網(wǎng)連接不發(fā)生解列，這一要求即為低電壓穿越（LvRT）雙饋式分離發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)特征，存在諸多難點，比如，控制策略需滿足不同機(jī)組、不同參數(shù)適應(yīng)性，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流與直流母線過電壓均要在可承受范圍內(nèi)等。本文將對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行分析，提出技術(shù)應(yīng)用策略。

【關(guān)鍵詞】雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；低電壓穿越技術(shù)

風(fēng)電作為目前最具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源技術(shù)，在全球以年增長率超過30%的速度成為發(fā)展最快的清潔能源。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則由于具有能夠變速運行、變流器容量小等優(yōu)點正成為使用最廣泛的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)之一。目前，變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤其是雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在應(yīng)對電網(wǎng)故障能力方面存在較大缺陷。電網(wǎng)發(fā)生故障容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓跌落，造成發(fā)電機(jī)定子電流增加。由于轉(zhuǎn)子與定子之間的強(qiáng)耦合，快速增加的定子電流會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流急劇上升。另外，由于風(fēng)力機(jī)調(diào)節(jié)速度較慢，故障前期風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能不會明顯減少，而發(fā)電機(jī)組由于機(jī)端電壓降低.不能正常向電網(wǎng)輸送電能，即有一部分能量無法輸人電網(wǎng)，這些能量由系統(tǒng)內(nèi)部消化，將導(dǎo)致電容充電、直流電壓快速升高、電機(jī)轉(zhuǎn)子加速、電磁轉(zhuǎn)矩突變等一系列問題。上述問題容易導(dǎo)致系統(tǒng)元器件的損壞。針對此問題，目前國外許多電網(wǎng)運營商對風(fēng)電場提出了強(qiáng)制性要求；電網(wǎng)電壓跌落時，風(fēng)電場須維持一定時間與電網(wǎng)連接而不解列，甚至要求風(fēng)電場在此過程中能提供無功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)“1。此要求即為低電壓穿越技術(shù)。

一、低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用要求

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需實現(xiàn)以下要求：（1）電網(wǎng)發(fā)生故障時，保護(hù)電網(wǎng)與電壓、變流器不出現(xiàn)損壞。（2）將故障時機(jī)械轉(zhuǎn)矩躍變對齒輪箱與風(fēng)機(jī)造成的沖擊，進(jìn)而避免齒輪箱出現(xiàn)機(jī)械磨損。（3）需與電網(wǎng)的LVRT標(biāo)準(zhǔn)滿足，隨著我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大規(guī)模發(fā)電項目被提上日程，但是風(fēng)力發(fā)電能源供應(yīng)不足，對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了不利影響。由此，加快LvRT標(biāo)準(zhǔn)制度對風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定持續(xù)運行有重要意義。

二、低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用

2.1傳統(tǒng)控制策略不適合故障過程控制

通過雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的有功與無功解耦控制的控制方法，但是這種方法構(gòu)造單一，不能獲得更好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。此方法不適應(yīng)故障期間的控制分析：該控制方法將定子磁鏈的暫態(tài)過程忽略了，認(rèn)為定子磁鏈保持恒定.出現(xiàn)故障后電壓解耦控制將不能實現(xiàn)：其次，電機(jī)端電壓在出現(xiàn)故障會發(fā)生躍變，定子磁鏈測定應(yīng)用的積分器飽和，從而使磁鏈定向失去準(zhǔn)確性，從而使整個故障控制i撤得艱難圓。

2.2增加硬件電路的實現(xiàn)方法

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)增加電路使系統(tǒng)的LVRT得以實現(xiàn)，這種實現(xiàn)方法最為常見，適合雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的Crowbar的電路有很多。Crowbar電路選取非常重要，變流器端的電壓需控制好，不能太高也不能太低，不能對電流進(jìn)行限制。發(fā)生短路時可將Crowbar電路接入實現(xiàn)限流。如果電壓跌落持續(xù)較長時間，電機(jī)會在故障期間提供無功給電網(wǎng)，但是需要注意的是，切換不需要再使用特殊的控制方法，但是會出現(xiàn)嚴(yán)重的暫態(tài)01。鑒于此過程電機(jī)沒有與電網(wǎng)發(fā)生解列，電機(jī)依然可以生成電磁轉(zhuǎn)矩，可以將風(fēng)棚產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩抵消。消除故障后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會馬上恢復(fù)原有的工作模式，如果不能采取這種模式，電壓恢復(fù)暫態(tài)容易出現(xiàn)與返回值不匹配的情況，容易使積分出現(xiàn)飽和，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的暫態(tài)響應(yīng)。由此，為了使切換更加平滑，必須將參考值設(shè)置為實際值，這樣才能使整個狀態(tài)是緩慢、安全的。

2.3能量儲存系統(tǒng)

電壓出現(xiàn)跌落在故障期間難以對直流電壓控制時，可以應(yīng)用能量存儲系統(tǒng)（ESS），這一系統(tǒng)的優(yōu)勢是能夠存儲過剩的能量，且在故障后將這些能量再次輸送到電網(wǎng)中川。這種方法避免了Crowbar運行狀態(tài)切換問題，還能避免出現(xiàn)切換失誤造成的暫態(tài)，可以持續(xù)調(diào)控系統(tǒng)，缺點是ESS不臺B控制轉(zhuǎn)子電流，為了使變流器不因轉(zhuǎn)子過電流出現(xiàn)損壞，需要使用較大容量側(cè)變流器。

2.4定子側(cè)的電子開關(guān)

為了使系統(tǒng)控制能力得以保證，減少轉(zhuǎn)矩振蕩情況，可以在定子側(cè)與電網(wǎng)間并聯(lián)晶閘管作為電子開關(guān)，從而分離定子快速與電網(wǎng)。其控制過程為：發(fā)生故障時，將定子與電網(wǎng)連接切斷，對轉(zhuǎn)子側(cè)的逆變器進(jìn)行控制，可以使電機(jī)順利去磁，實現(xiàn)雙饋電機(jī)與電網(wǎng)的同步，使電機(jī)定子成功連接到電網(wǎng)，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

三、結(jié)束語

本文通過研究雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)LvRT條件下的建模、控制實現(xiàn)，以及其對電網(wǎng)的影響，介紹了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)LVRT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，得出了以下幾點結(jié)論：

1）由于傳統(tǒng)暫態(tài)分析模型忽略了磁飽和、非線性成分、電磁暫態(tài)過程等內(nèi)容，如果使用它們進(jìn)行LVRT技術(shù)的研究可能會對故障嚴(yán)重性估計不足，從而影響保護(hù)裝置的設(shè)計。在故障分析過程中需使用更完整詳細(xì)的模型。

2）通過改進(jìn)控制策略可在很大程度上改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。但基于對能量守恒關(guān)系的分析，對于很嚴(yán)重的電網(wǎng)電壓跌落故障，僅僅改進(jìn)控制策略很難同時克服系統(tǒng)的過電流和過電壓問題。因此，增加硬件電路是不可避免的。

3）幾種增加硬件電路實現(xiàn)低電壓穿越的方法各有利弊，都存在一些較難克服的問題。研究過程中可考慮幾種方法結(jié)合使用，或是改進(jìn)相應(yīng)的控制策略。

4）具備LVRT能力的風(fēng)電場不但不會給電網(wǎng)帶來不利影響，反而相對于傳統(tǒng)電站能夠改善系統(tǒng)的性能，這一特點決定了LVRT研究將是今后風(fēng)電研究中的一個重點。

中國的LVRT研究今后將主要面臨以下問題：建立適用于中國電網(wǎng)的LVRT技術(shù)規(guī)范，且能夠針對具體區(qū)域電網(wǎng)、具體接入點對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)修改；建立具備LvRT能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，并將該模型集成于現(xiàn)有商業(yè)電力系統(tǒng)分析軟件中；形成對LVRT功能、效率、影響的評價方法，并建立相關(guān)測試與評估環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳金波，張文朝.兆瓦級雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越改造及實現(xiàn)[J].重工與起重技術(shù)，2016（1）：5-6.

[2]楊晨星，楊旭，童朝南.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的軟撬棒控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2018（8）：2487-2495.

[3]趙長風(fēng).基于滑?？刂破鞯碾p饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制策略[J].通信電源技術(shù)，2018.

[4]董鵬程，陳明帥.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越綜述[J].通信電源技術(shù)，2017，34（4）：167-168.

[5]鐘成元，方勤，陳東霞.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電氣時代，2017（2）：39-41.