風力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)

　　如減小同步機電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)定值, 這樣會引起發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升, 從而達到允許轉(zhuǎn)速的暫時上升來儲存風機部分輸入能量, 這有效地減小了發(fā)電機的輸出功率。如果故障不嚴重, 可以不采取變槳控制;一旦電機轉(zhuǎn)速上升過多或不便用上升轉(zhuǎn)速來儲存能量可以直接采取變槳控制。變槳可從根本上減小風機的輸入功率, 有利于電壓跌落時的功率平衡。這種策略結(jié)合增加器件容量的方法可進一步提高穿越裕度。
　　對于更長時間的深度故障, 可以考慮采用額外電路單元儲存或消耗多余能量。文獻[7, 11 ] 給出兩種外接電路單元實現(xiàn)LVRT 的方案, 如圖3 所示。圖3 (a) 為在DC2link 上接一個儲能系統(tǒng), 當檢測直流電壓過高則觸發(fā)儲能系統(tǒng)的IGBT , 轉(zhuǎn)移多余的直流儲能, 故障恢復(fù)后將所儲存的能量饋入電網(wǎng)。圖3 (b) 采用Buck 變換器, 直接用電阻消耗多余的DC2link 能量。
　　程中, 電機電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)較大的波動, 對風機齒輪箱等機械部件構(gòu)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(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速上升[5～ 7]。在風速較高即機械動力轉(zhuǎn)矩較大的情況下, 即使故障切除, 雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩有所增加, 也難較快抑制電機轉(zhuǎn)速的上升, 使雙饋電機的轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓的恢復(fù), 嚴重時可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓無法恢復(fù), 致使系統(tǒng)崩潰[ 9, 10 ] , 這種情況與電機慣性、額定值以及故障持續(xù)時間有關(guān)。

　  2. 2　PMSG 的暫態(tài)現(xiàn)象
　　對于PM SG, 定子經(jīng)ACöD CöA C 變流器與電網(wǎng)相接, 發(fā)電機和電網(wǎng)不存在直接耦合。電網(wǎng)電壓的瞬間降落會導(dǎo)致輸出功率的減小, 而發(fā)電機的輸出功率瞬時不變, 顯然功率不匹配將導(dǎo)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(wěn)定DC2link 電壓, 必然會導(dǎo)致輸出到電網(wǎng)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(cè)電壓在一定范圍波動時, 電機側(cè)變流器一般都能保持可控性, 在電網(wǎng)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(qū)系統(tǒng)的LVRT 實現(xiàn)相對DF IG 而言較為容易[ 13 ]。
　　3　LVRT 的實現(xiàn)方法
　　3. 1　FSIG 的LVRT 實現(xiàn)
　　電壓跌落期間FS IG 的主要問題是電磁轉(zhuǎn)矩衰減導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的飛升。其簡單的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩, 限制轉(zhuǎn)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(wǎng)恢復(fù), 鼠籠電機的運轉(zhuǎn)反而需要吸收電網(wǎng)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(fā)電這種能量波動大的場合會帶來系統(tǒng)電壓的波動, 且會磨損發(fā)電機械, 故障時臨近母線會出現(xiàn)過電壓, 因此文獻[14 ] 提出采用靜態(tài)無功補償SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安裝一個靜態(tài)無功補償器, 實時補償所需無功。研究結(jié)果顯示, 穩(wěn)態(tài)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(tài)同步補償器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)來調(diào)節(jié)電壓, 其研究結(jié)果顯示在適當?shù)念~定功率下, 該方案可以實現(xiàn)低電壓穿越。與靜態(tài)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?？偟膩碚f,DF IG 在電壓跌落時面臨的問題不是很大, 其LVRT 實現(xiàn)可以配合變槳和其他措施實現(xiàn)。
　　3. 2　PM SG 的LVRT 實現(xiàn)
　　電壓跌落期間PM SG 的主要問題在于能量不匹配導(dǎo)致直流電壓的上升?？刹扇〈胧﹥Υ婊蛳亩嘤嗟哪芰恳越鉀Q能量的匹配問題。這種設(shè)計的效果需要考慮成本、電網(wǎng)規(guī)范以及故障深度和時間?？梢钥紤]從變流器設(shè)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(diào)高, 以儲存多余的能量, 并允許網(wǎng)側(cè)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(fā)電功率來平衡功率[ 11, 12 ]。