風力發電低電壓穿越技術

　　對于FS IG, 從電壓跌落到恢復的時間內, 其鼠籠式轉子能承受此短時過電流而不會受損燒毀[7];而DF IG 轉子側接有ACöD CöA C 變換器, 其電力電子器件的過壓、過流能力有限。如果對電壓跌落不采取控制措施限制故障電流, 較高的暫態轉子電流會對脆弱的電力電子器件構成威脅[ 5, 6 ]; 而控制轉子電流會使變流器電壓升高, 過高的電壓一樣會損壞變流器[ 8 ]; 且變流器輸入輸出功率的不匹配有可能導致DC2link (直流用線) 電壓的上升或下降(與故障時刻電機超同步速或次同步速有關[ 7 ])。因此DF IG 的LVRT 實現較為復雜。
　　電網發生故障(尤其是不對稱故障) 的過渡過程中, 電機電磁轉矩會出現較大的波動, 對風機齒輪箱等機械部件構成沖擊, 影響風機的運行和壽命。定子電壓跌落時, 電機輸出功率降低, 若對捕獲功率不控制, 必然導致電機轉速上升[5～ 7]。在風速較高即機械動力轉矩較大的情況下, 即使故障切除, 雙饋電機的電磁轉矩有所增加, 也難較快抑制電機轉速的上升, 使雙饋電機的轉速進一步升高,吸收的無功功率進一步增大, 使得定子端電壓下降, 進一步阻礙了電網電壓的恢復, 嚴重時可能導致電網電壓無法恢復, 致使系統崩潰[9, 10] , 這種情況與電機慣性、額定值以及故障持續時間有關。
　　2. 2　PMSG 的暫態現象
　　對于PM SG, 定子經ACöD CöA C 變流器與電網相接, 發電機和電網不存在直接耦合。電網電壓的瞬間降落會導致輸出功率的減小, 而發電機的輸出功率瞬時不變, 顯然功率不匹配將導致DC2link (直流母線) 電壓上升[7, 11, 12] , 這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩定DC2link 電壓, 必然會導致輸出到電網的電流增大, 過大的電流同樣會威脅變流器的安全。當變流器直流側電壓在一定范圍波動時, 電機側變流器一般都能保持可控性, 在電網電壓跌落期間, 電機仍可以保持很好的電磁控制。所以同步直驅系統的LVRT 實現相對DF IG 而言較為容易[13]。
　　3　LVRT 的實現方法
　　3. 1　FSIG 的LVRT 實現
　　電壓跌落期間FS IG 的主要問題是電磁轉矩衰減導致轉速的飛升。其簡單的結構使得能采取的措施也很有限。最簡單的方法是在可靠判斷出故障后, 利用快速變槳來減小輸入機械轉矩, 限制轉速上升[5, 7]。但風機槳葉具有很大的慣性, 該方案需要風機有很好的變槳性能。
　　變槳控制不足之處在于無法提供無功以支持電網恢復, 鼠籠電機的運轉反而需要吸收電網的無功。一般減少無功吸收的方法是按最大功率輸出安裝電容器組。但在風力發電這種能量波動大的場合會帶來系統電壓的波動, 且會磨損發電機械, 故障時臨近母線會出現過電壓, 因此文獻[14 ] 提出采用靜態無功補償SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安裝一個靜態無功補償器, 實時補償所需無功。研究結果顯示, 穩態運行波形得到改善, 提高了故障穿越能力。
　　文獻[16 ] 提出采用靜態同步補償器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)來調節電壓, 其研究結果顯示在適當的額定功率下, 該方案可以實現低電壓穿越。與靜態無功補償器相比, 該方法的補償電流不依賴于連接點電壓,所以補償電流在電壓下降時不會降低。然而, 由于成本的原因, 這一方案難以工程化。總的來說,DF IG 在電壓跌落時面臨的問題不是很大, 其LVRT 實現可以配合變槳和其他措施實現。
  　 3. 2　PM SG 的LVRT 實現
　　電壓跌落期間PM SG 的主要問題在于能量不匹配導致直流電壓的上升。可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。這種設計的效果需要考慮成本、電網規范以及故障深度和時間。可以考慮從變流器設計入手[11] , 選擇器件時放寬電力電子器件的耐壓和過流值, 并提高直流電容的額定電壓。這樣在電壓跌落時可以把DC2link的電壓限定值調高, 以儲存多余的能量, 并允許網側逆變器電流增大, 以輸出更多的能量。但是考慮到器件成本, 增加器件額定值是有限度的, 而且在長時間和嚴重故障下, 功率不匹配會很嚴重, 有可能超出器件容量, 因此這種方法較適用于短時的電壓跌落故障。
　　上面的方法考慮增大功率輸出和儲能以解決功率匹配。同樣可以考慮減小電機的發電功率來平衡功率[ 11, 12 ]。