【技術(shù)解析】 風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)淺析

　　隨著工業(yè)化的進(jìn)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(jī)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)里電網(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)。本文結(jié)合三種不同類型的風(fēng)電機(jī)分別探討了低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)情況。
　　1.低電壓穿越概述
　　低電壓穿越即LVRT，指在電網(wǎng)發(fā)生故障或者電壓下跌時(shí)，在一定的下跌范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)不脫落，向電網(wǎng)提供無功功率，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間或低電壓區(qū)域。具體來說，當(dāng)電壓發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)發(fā)機(jī)組在這段時(shí)間內(nèi)地控制不能引起電網(wǎng)的相位變化和功率波動。電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的這段時(shí)間，電網(wǎng)只管輸電系統(tǒng)的短路電流而忽視風(fēng)電場內(nèi)部的短路電流。可以這么說，低電壓的穿越技術(shù)是決定一個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)高低的重要指標(biāo)。
　　世界各個(gè)國家和地區(qū)根據(jù)其電網(wǎng)狀況不同，對低電壓穿越技術(shù)的指標(biāo)提出的要求不同。技術(shù)指標(biāo)的制定往往為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是發(fā)達(dá)國家將其作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。德國的輸電系統(tǒng)運(yùn)營商E.on公司在2003年提出了低電壓穿越的概念，2006年制定了并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。由于德國北部的風(fēng)機(jī)密度高，對LVRT的要求如下：當(dāng)電壓跌落至15%～45%時(shí)，要求風(fēng)機(jī)一直提供無功支持，并能保持并網(wǎng)至少625ms。而在電壓跌落至90%以上，風(fēng)機(jī)一直保持并網(wǎng)運(yùn)行。我國在2009年制訂了風(fēng)電場并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)電網(wǎng)跌落低于額定電壓的1/5，風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持與電網(wǎng)相連接，并保持運(yùn)行625ms，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落后，三秒鐘之內(nèi)能還原至90%的額定電壓。
　　2.不同類型風(fēng)機(jī)低電壓穿越的現(xiàn)實(shí)情況
　　若想提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，就要增加工程造價(jià)，電壓低落時(shí)，不同類型的機(jī)組的暫態(tài)特性不同。目前市場上風(fēng)電機(jī)組類型大致可分為三類：直接并網(wǎng)的定速異動電機(jī)FSIG、同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)PMSG和雙饋異步式風(fēng)機(jī)DFIG。
　　2.1定速異動電機(jī) FSIG和雙饋異步式風(fēng)機(jī)DFIG
　　FSIG和DFIG均是定子測直接連接電網(wǎng)，電壓的跌落在電機(jī)的定子端電壓上能夠直接反映出來，在電壓跌落的瞬間，定子磁因?yàn)椴荒茈S定子端電壓變化，便出現(xiàn)直流成分，若是不對稱故障還會引發(fā)負(fù)序分量，相對于較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子會形成較大的轉(zhuǎn)差，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，使得轉(zhuǎn)子過電壓和過流的現(xiàn)象加重。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)邊接有AC/DC/AC變流器，如果不控制轉(zhuǎn)子電流的話，較高的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流會損壞電力電子器件或影響其使用壽命，而如果控制轉(zhuǎn)子電流，又會使變流器電壓升高從而損壞變流器。因此，實(shí)現(xiàn)DFIG的穿越比較困難。
　　2.2 同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)PMSG
　　對于同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于其定子和電網(wǎng)不是直接連接，是經(jīng)AC/DC/AC交流器與電網(wǎng)連接的。電壓跌落瞬間，輸出功率減小，而發(fā)電機(jī)的輸出功率不變，由于這種不匹配直流母線電壓將會上升，這樣會威脅到電子電器的安全。如果這時(shí)候采取控制措施，使直流母線的電壓保持不變，又會增加輸出到電網(wǎng)的電流，可能最終導(dǎo)致變流器的損壞。
　　3.低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)辦法
　　3.1 FSIG的低電壓穿越實(shí)現(xiàn)
　　在低電壓的跌落瞬間，可以運(yùn)用變漿控制來減小轉(zhuǎn)矩，保持轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化。由于風(fēng)機(jī)的槳葉慣性非常大，因此，風(fēng)機(jī)的變槳性能必須要求很高。而且異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要吸收無功，所以在操作時(shí)通常是按照最大功率輸出安裝電容器組來減少無功的吸收，但是這種方法也可能引起系統(tǒng)的電壓波動，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)械的磨損，在故障發(fā)生時(shí)還會使鄰近母線出現(xiàn)過電壓。我們采用的方法是安裝一個(gè)靜態(tài)的無功補(bǔ)償器以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，這樣能使穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的波形得到改善。還有一種方法是采用靜態(tài)同步補(bǔ)償器來調(diào)節(jié)電壓，這樣補(bǔ)償?shù)碾娏鞑粫S著電壓的下降而下降，低電壓穿越能力得到增強(qiáng)。
　　3.2 DFIG的低電壓穿越實(shí)現(xiàn)
　　提高雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力大致的方法可以采用轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)、合理的控制策略
　　當(dāng)電壓跌落瞬間，通過給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝一個(gè)提供旁路電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)的電流提供一條通道，即crowbar電路[3]。電壓跌落時(shí)，雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁變流器關(guān)閉，這時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)的電流從crowbar電路通過，勵(lì)磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組的電壓均能得到控制，發(fā)電機(jī)也能不脫網(wǎng)照常運(yùn)行。另外，還可以通過改進(jìn)雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制策略來實(shí)現(xiàn)低電壓的穿越。電壓跌落時(shí)，亦可限制轉(zhuǎn)子電流交流分量，通過發(fā)電機(jī)定子電阻對定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量滅磁，通過這樣的方式也可以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。
　　另外，還有一種方法是通過加裝能量的儲存裝置來限制直流母線過電壓。這種方法能夠持續(xù)的控制電力系統(tǒng)，但是不足之處是無法有效地控制轉(zhuǎn)子電流。
　　3.3 PMSG的低電壓穿越實(shí)現(xiàn)
　　電網(wǎng)電壓跌落時(shí)應(yīng)該注意保持輸入輸出功率平衡。可以通過減小風(fēng)力機(jī)輸入功率或者增加crowbar保護(hù)電路的方法來提高低電壓穿越能力。當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí)，控制風(fēng)力機(jī)變槳來降低風(fēng)能，減小發(fā)電機(jī)定子的輸出功率；或者在直流側(cè)增加crowbar保護(hù)電路，給多余的電流一天旁路通道，并配合網(wǎng)側(cè)變流器，保持直流電壓的恒定。
　　4.結(jié)束語
　　風(fēng)能發(fā)電是大勢所趨，風(fēng)能電力在國家電網(wǎng)供電中呈逐年上升趨勢，因此，必須提高電網(wǎng)故障電壓跌落時(shí)，低電壓穿越能力，這不僅是衡量電網(wǎng)的最重要的技術(shù)指標(biāo)，而且是保障風(fēng)力發(fā)電順利發(fā)展的基礎(chǔ)。