風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越技術(shù)

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 低電壓過渡能力：LowVoltageRideThrough，LVRT;FaultRideThrough，F(xiàn)RT
　   曾稱“低電壓穿越”。定義：小型發(fā)電系統(tǒng)在確定的時間內(nèi)承受一定限值的電網(wǎng)低電壓而不退出運(yùn)行的能力。
　   一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)
　   1、問題的提出
　   對于變頻恒速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，由于與其配套的電力電子變流設(shè)備屬于AC/DC/AC型，容易在其轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生峰值涌流，損壞變流設(shè)備，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列。在以前風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量較小的時候，為了保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁裝置，就采取與電網(wǎng)解列的方式，但目前風(fēng)力發(fā)電的容量都很大，與電網(wǎng)解列后會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)a(chǎn)生連鎖故障。于是，根據(jù)這種情況，國外的專家就提出了風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越的問題。
　   2、LVRT概念的解釋
　   當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)電場需維持一段時間與電網(wǎng)連接而不解列，甚至要求風(fēng)電場在這一過程中能夠提供無功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)即低電壓穿越。
　   目前對于風(fēng)力發(fā)電低電壓運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，主要以德國e.onnetz公司提出的為參考。
　   雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其自身機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LVRT存在以下幾方面的難點(diǎn)：
　   1)確保故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流與直流母線過電壓都在系統(tǒng)可承受范圍之內(nèi);
　   2)所采取的對策應(yīng)具備各種故障類型下的有效性;
　   3)控制策略須滿足對不同機(jī)組、不同參數(shù)的適應(yīng)性;
 　  4)工程應(yīng)用中須在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下盡量少地增加成本。
　   3、電網(wǎng)電壓跌落后DFIG運(yùn)行的暫態(tài)過程分析(感覺這部分內(nèi)容需要理論推導(dǎo))
　   在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產(chǎn)生振蕩。這是因?yàn)殡p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉(zhuǎn)子過壓與過流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因?yàn)樵诙ㄗ与妷褐泻胸?fù)序分量，而負(fù)序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。
　   二、低電壓穿越技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)
　   目前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵磁控制算法。本周我主要看了前兩種，以下分別介紹。
　   1、轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(crowbar電路)
　   這是目前一些風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路的旁路(釋能電阻)保護(hù)裝置,達(dá)到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行(此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動機(jī)方式運(yùn)行)。
　   目前比較典型的crowbar電路有如下幾種：
　   (1)混合橋型crowbar電路，如圖1所示，每個橋臂有控制器件和二極管串聯(lián)而成。
　   (2)IGBT型crowbar電路，如圖2所示，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。
　   (3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個旁路，從而達(dá)到限制大電流，保護(hù)勵磁變流器的作用。
　   2、引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　   如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。在正常運(yùn)行時，這些可控硅全部導(dǎo)通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)期間，轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網(wǎng)故障電壓大跌落所引起的的轉(zhuǎn)子側(cè)大電流沖擊，轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網(wǎng)故障時不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復(fù)時，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會達(dá)到電壓跌落前的幾倍。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)便能迅速地與電網(wǎng)達(dá)到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接。這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求。對于短時間內(nèi)能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)運(yùn)行時間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計crowbar電路，在直流側(cè)安裝電阻來作吸收電路，將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)。
　   這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性?？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關(guān)斷，這要求很大的門極負(fù)驅(qū)動電流，驅(qū)動電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型IGBT的話，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話，通態(tài)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關(guān)的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行，因此對電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行起不到積極的支持作用。
　   通常雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的背靠背式勵磁變流器采用如圖5a所示的與電網(wǎng)并聯(lián)方式，這意味著勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻(xiàn)提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網(wǎng)進(jìn)行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機(jī)定子端的串聯(lián)變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子端的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網(wǎng)電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生，減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動的影響，達(dá)到強(qiáng)化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復(fù)雜。
　   這是目前一些風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路的旁路(釋能電阻)保護(hù)裝置,達(dá)到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行(此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動機(jī)方式運(yùn)行)。
　   目前比較典型的crowbar電路有如下幾種：
　   (1)混合橋型crowbar電路，如圖1所示，每個橋臂有控制器件和二極管串聯(lián)而成。
　   (2)IGBT型crowbar電路，如圖2所示，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。
　   (3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個旁路，從而達(dá)到限制大電流，保護(hù)勵磁變流器的作用。
　   2、引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　   如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。在正常運(yùn)行時，這些可控硅全部導(dǎo)通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)期間，轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網(wǎng)故障電壓大跌落所引起的的轉(zhuǎn)子側(cè)大電流沖擊，轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網(wǎng)故障時不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復(fù)時，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會達(dá)到電壓跌落前的幾倍。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)便能迅速地與電網(wǎng)達(dá)到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接。這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求。對于短時間內(nèi)能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)運(yùn)行時間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計crowbar電路，在直流側(cè)安裝電阻來作吸收電路，將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)。
　   這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性?？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關(guān)斷，這要求很大的門極負(fù)驅(qū)動電流，驅(qū)動電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型IGBT的話，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話，通態(tài)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關(guān)的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行，因此對電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行起不到積極的支持作用。
　   通常雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的背靠背式勵磁變流器采用如圖5a所示的與電網(wǎng)并聯(lián)方式，這意味著勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻(xiàn)提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網(wǎng)進(jìn)行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機(jī)定子端的串聯(lián)變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子端的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網(wǎng)電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生，減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動的影響，達(dá)到強(qiáng)化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復(fù)雜。
　   另外，控制系統(tǒng)要嵌入動態(tài)電壓暫降補(bǔ)償器，當(dāng)有暫降時瞬時將電壓補(bǔ)償上去，先保住控制系統(tǒng)不跳。ABB號稱采用了一種ACtiveCROWBAR來實(shí)現(xiàn)低壓穿越功能。
　   低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時候，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”這個低電壓時間(區(qū)域)。LVRT是對并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(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。目前在一些風(fēng)力發(fā)電占主導(dǎo)地位的國家，如丹麥、德國等已經(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，定量地給出了風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間)，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時，發(fā)電機(jī)應(yīng)提供無功功率。這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越(LVRT)能力，同時能方便地為電網(wǎng)提供無功功率支持，但目前的雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是否能夠應(yīng)對自如，學(xué)術(shù)界尚有爭論，而永磁直接驅(qū)動型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實(shí)在這方面擁有出色的性能。