風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)

　　Abstract: In recent years, the p ropo rt ion of the w ind pow er in the grid is increasing rap idly. When the grids faults results in vo ltage decline, the w idesp read t ripp ing of w ind generato rs could lead to t ransient instabilities and local o r overall blackouts. So it is concerned that thew ind turbinesmerge into the grid, and the request of the low vo ltage ride th rough (LVRT ) ability is p ropo sed. Th is paper analysises the t ransient responses of three w idely used w ind turbine, including fixed speed induct ion generato r (FS IG) , permanent magnetic synch ronous generato r (PM SG) and doubly2fed induct ion generato r (DF IG) , and summarizes the LVRT methods adop ted home and abroad. The LVRT methods of DF IG are mainly discussed, w h ich is must difficalt.

　　當(dāng)今世界風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展迅猛, 風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量逐年上升, 尤其是在歐美的一些發(fā)達(dá)國家, 風(fēng)力發(fā)電所占電網(wǎng)供電比例已經(jīng)非常高, 如丹麥已超過20%。因此, 必須考慮電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響[ 1, 2 ]。為此各國電網(wǎng)公司依據(jù)自身實(shí)際對(duì)風(fēng)電場(chǎng)ö風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。包括低電壓穿越能力、無功控制能力、有功功率變化率控制和頻率控制等。其中LVRT 被認(rèn)為是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造控制技術(shù)上的最大挑戰(zhàn), 直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用。

　　低電壓穿越LVRT , 指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候, 風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng), 甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率, 支持電網(wǎng)恢復(fù), 直到電網(wǎng)恢復(fù)正常, 從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。

　　電壓跌落會(huì)給電機(jī)帶來一系列暫態(tài)過程, 如出現(xiàn)過電壓、過電流或轉(zhuǎn)速上升等, 嚴(yán)重危害風(fēng)機(jī)本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故障風(fēng)機(jī)就實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而立即解列, 并不考慮故障的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度, 這樣能最大限度保障風(fēng)機(jī)的安全, 在風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率(即風(fēng)力發(fā)電占電網(wǎng)的比重) 較低時(shí)是可以接受的。然而, 當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中占有較大比重時(shí), 若風(fēng)機(jī)在電壓跌落時(shí)仍采取被動(dòng)保護(hù)式解列, 則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度, 甚至可能加劇故障, 最終導(dǎo)致系統(tǒng)其它機(jī)組全部解列, 因此必須采取有效的LVRT措施, 以維護(hù)風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)的穩(wěn)定。

　　目前市場(chǎng)上風(fēng)機(jī)類型可概括為三類, 即直接并網(wǎng)的定速異步機(jī)FS IG (f ixed speed induct iongenerato r)、同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)PM SG (permanent magnet ic synch ronou s genera to r) 和雙饋異步式風(fēng)機(jī)DF IG (doub ly2fed induct ion generato r)。本文就這三種風(fēng)機(jī)類型分析電網(wǎng)電壓跌落引起的暫態(tài)過程, 綜述了目前一些主要的LVRT 實(shí)現(xiàn)方案, 并重點(diǎn)討論了DF IG 的LVRT 方案。

　　1　LVRT 功能簡(jiǎn)介

　　LVRT 是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求。不同國家(和地區(qū)) 所提出的LVRT 要求不盡相同[ 3, 4 ]。在德國北部, 風(fēng)機(jī)密度很高, 電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)商E. ON N etz 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)ö風(fēng)力機(jī)組的LVRT 要求如圖1 所示。

圖1　德國E. ON Netz 公司的LVRT 要求 Fig. 1　LVRT requiremen ts of E. ON Netz

　　僅當(dāng)電網(wǎng)電壓在時(shí)間或數(shù)值上處于圖示曲線下方時(shí), 風(fēng)機(jī)才允許解列; 而在曲線以上區(qū)域, 風(fēng)機(jī)應(yīng)保持并網(wǎng), 等待電網(wǎng)恢復(fù)。且當(dāng)電壓位于圖中陰影區(qū)域時(shí), 還要求風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)提供無功功率支撐,幫助電網(wǎng)恢復(fù)。
　　在圖中可以看到, 當(dāng)電壓跌落到15% ～ 45%時(shí), 要求風(fēng)機(jī)一直提供無功支持, 并應(yīng)能保持并網(wǎng)至少625 m s。而在電壓跌落到90% 以上時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)一直保持并網(wǎng)運(yùn)行。
　　2　電壓跌落對(duì)不同風(fēng)機(jī)的影響  
　　研究LVRT 的前提是分析風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落與恢復(fù)時(shí)的一些暫態(tài)過程。不同風(fēng)機(jī)類型的暫態(tài)和導(dǎo)致的影響不盡相同。
　　圖2 所示為目前市場(chǎng)上廣泛使用的三種主要的風(fēng)機(jī)拓?fù)? FS IG; 定子經(jīng)變流器并網(wǎng)的PM SG;DF IG。

圖2　三種主要的風(fēng)機(jī)類型 Fig. 2　Three ma in types of the wind turbines

　　2. 1　FSIG 和DFIG 的暫態(tài)現(xiàn)象
　　FS IG 和DF IG 都是定子側(cè)直接聯(lián)接電網(wǎng)。這種直接耦合使得電網(wǎng)電壓的降落直接反映在電機(jī)定子端電壓上, 導(dǎo)致定子磁鏈出現(xiàn)直流成分, 不對(duì)稱故障時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量。定子磁鏈的直流量和負(fù)序分量相對(duì)于以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)形成較大的轉(zhuǎn)差(轉(zhuǎn)差頻率分別在ωs和2ωs 附近,ωs 為同步角頻率) , 從而感生出較大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流, 導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流大幅增加[5, 6]。