徐其惠 曹貝貞

（1.東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽，618000； 2.東方汽輪機(jī)有限公司風(fēng)電研發(fā)中心，四川 德陽，618000）

1 概述

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，裝機(jī)容量大幅增加，隨之而來的是對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響越來越大，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的適應(yīng)性問題也越來越尖銳，電網(wǎng)故障時(shí)的低電壓穿越就是一個(gè)很明顯的例子。在目前國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)或故障并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓下降或頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)將立即從電網(wǎng)中解列以確保機(jī)組的安全。但隨著風(fēng)電在系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，電力系統(tǒng)從穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)要求發(fā)電機(jī)在故障過程中仍然保持不脫網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)前國外一些新的電網(wǎng)連接標(biāo)準(zhǔn)已對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障時(shí)不脫網(wǎng)運(yùn)行提出了明確的要求[1～3]，中國電科院也根據(jù)國內(nèi)風(fēng)電的實(shí)際情況出臺(tái)了低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，具體見圖1。目前國家電網(wǎng)已經(jīng)開始要求各大風(fēng)機(jī)廠家按照該標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施，故研究并實(shí)施低電壓穿越技術(shù)迫在眉睫。

圖1 我國風(fēng)電場低電壓穿越要求

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于定子端通過變流器與電網(wǎng)相連，電壓跌落時(shí)不會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的機(jī)電暫態(tài)過程，故實(shí)現(xiàn)低電壓穿越較為容易；但是目前國內(nèi)大規(guī)模采用的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是雙饋電機(jī)，定子端直接與電網(wǎng)相連，電壓跌落時(shí)會(huì)在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子端出現(xiàn)復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，從而造成定轉(zhuǎn)子過流，加大了低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)難度。

本文根據(jù)實(shí)際1.5MW雙饋風(fēng)電變流器電網(wǎng)故障時(shí)的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了一套雙饋風(fēng)電變流器低電壓穿越裝置，包括轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar[4～6]和直流鏈chopper，同時(shí)提出了一種電網(wǎng)對稱故障時(shí)的雙饋風(fēng)電變流器控制方法，實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越并在電網(wǎng)故障時(shí)向電網(wǎng)反送無功以支撐電網(wǎng)，取得了較好的效果。

2 帶低電壓穿越裝置的1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

假設(shè)電網(wǎng)故障前1.5MW雙饋發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁鏈在空間保持相對靜止，且以定子電角頻率旋轉(zhuǎn)。故障發(fā)生時(shí)，定子電壓將突然減小，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，盡管發(fā)電機(jī)定子電壓在故障時(shí)發(fā)生突變，但在故障瞬間定子磁鏈仍將保持恒定不變。在忽略定子電阻的前提下，根據(jù)定子電壓方程式：

可知發(fā)電機(jī)的定子磁鏈隨時(shí)間的變化率近似等于定子電壓。由于機(jī)端故障后定子電壓突然下降到零，因此定子繞組中將出現(xiàn)不隨時(shí)間變化的磁鏈直流分量 （在忽略定子電阻的條件下），同理可知轉(zhuǎn)子繞組中也將出現(xiàn)不隨時(shí)間變化的磁鏈直流分量，其中直流分量的衰減取決于電機(jī)參數(shù)。電網(wǎng)電壓突變越嚴(yán)重 （電壓變化率越大），導(dǎo)致的定子暫態(tài)磁鏈的幅值就越大，對轉(zhuǎn)子側(cè)的過壓過流影響就越大。圖2為試驗(yàn)用小功率雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中可以看出電網(wǎng)電壓突變時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)明顯的過電流。試驗(yàn)電機(jī)功率為5kW，電壓等級為380VAC，采用電抗分壓的方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落的模擬，三相對稱跌落到20%，持續(xù)時(shí)間為625ms。

圖2 小功率雙饋發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)理論分析和實(shí)際小功率雙饋風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了適用于1.5MW雙饋風(fēng)電變流器的低電壓穿越裝置。圖3為帶有低電壓穿越裝置的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，低電壓穿越裝置主要包括兩部分，直流鏈chopper和轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置。

圖3 帶有低電壓穿越裝置的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置采用交流開關(guān) （晶閘管反并聯(lián)二極管）投切crowbar電阻的方式實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子電壓瞬時(shí)值大于1400V時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)以啟動(dòng)crowbar。轉(zhuǎn)子電壓瞬時(shí)值小于800V時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)關(guān)閉晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，晶閘管延時(shí)關(guān)斷。直流側(cè)chopper裝置采用IGBT投切chopper電阻的方式實(shí)現(xiàn)，直流鏈電壓高于1200V時(shí)啟動(dòng)，直流鏈電壓降低至1100V以下時(shí)關(guān)閉。

3 低電壓穿越測試及結(jié)果

在1.5MW全功率雙饋風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了低電壓穿越測試，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)單線圖見圖4。其中電壓跌落發(fā)生器裝置 （voltage sag generator，VSG）[7]采用6.3MW10kV高壓變流器實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)為實(shí)際風(fēng)場使用2MW雙饋電機(jī)，發(fā)電機(jī)也是實(shí)際風(fēng)場使用1.5MW雙饋電機(jī)。

圖4 具備低電壓穿越測試功能的2MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)單線圖

為了測試雙饋?zhàn)兞髌髟诓煌娋W(wǎng)電壓跌落深度時(shí)的處理，我們分別進(jìn)行了跌落到50%、40%、30%，持續(xù)時(shí)間1s的三種測試。圖5為電網(wǎng)電壓三相對稱跌落到50%，持續(xù)時(shí)間1s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/min，功率為1MW時(shí)的測試數(shù)據(jù)。從中可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器在電壓跌落時(shí)封鎖以保護(hù)變流器的安全，直流鏈電壓由于電機(jī)轉(zhuǎn)子能量的回饋而迅速升高，大約升至1500V左右，此時(shí)直流鏈chopper啟動(dòng)進(jìn)行放電，大約100ms左右，直流鏈電壓下降至1100V安全區(qū)域，網(wǎng)側(cè)變流器重新啟動(dòng)以額定電流運(yùn)行，采取無功功率控制以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在直流電壓穩(wěn)定后重新啟動(dòng)控制電機(jī)以無功功率控制方式運(yùn)行，注入最大的無功電流以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。整個(gè)過程中由于轉(zhuǎn)子電壓未超過1400V的硬件觸發(fā)電壓，轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置未啟動(dòng)，但發(fā)電機(jī)組在電壓跌落的全過程中并未脫網(wǎng)，同時(shí)向電網(wǎng)提供無功功率以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，成功實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

圖5 50%電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的測試數(shù)據(jù)

圖6為電網(wǎng)電壓三相對稱跌落到40%，持續(xù)時(shí)間1s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/min，功率為0.5MW時(shí)的測試數(shù)據(jù)。整個(gè)過程與圖5測試時(shí)基本一致，其中轉(zhuǎn)子電壓在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)超過1400V的硬件觸發(fā)電壓，轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置啟動(dòng)，避免了直流鏈電壓的繼續(xù)上升，有效地保護(hù)了變流器的安全，同時(shí)發(fā)電機(jī)組在電壓跌落的全過程中并未脫網(wǎng)，向電網(wǎng)提供最大的無功電流以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，成功實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

圖6 40%電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的測試數(shù)據(jù)

圖7為電網(wǎng)電壓三相對稱跌落到30%，持續(xù)時(shí)間1s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/min，功率為0.2MW時(shí)的測試數(shù)據(jù)。整個(gè)過程與圖5和圖6測試時(shí)基本一致，其中轉(zhuǎn)子電壓在電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)時(shí)均超過1400V的硬件觸發(fā)電壓，轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置啟動(dòng)，有效地保護(hù)了變流器的安全，同時(shí)發(fā)電機(jī)組在電壓跌落的全過程中并未脫網(wǎng)，向電網(wǎng)提供最大的無功電流以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，成功實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

圖7 30%電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的測試數(shù)據(jù)

同時(shí)通過三次測試數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)子電壓過電壓主要與跌落深度有關(guān)，與跌落前電機(jī)所帶功率關(guān)系不大，而且設(shè)計(jì)的直流鏈chopper裝置和轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置能夠根據(jù)實(shí)際設(shè)定值而正常投切，保護(hù)變流器安全的同時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

4 結(jié)論

本文根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越理論分析和實(shí)際小功率雙饋風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了適用于1.5MW雙饋風(fēng)電變流器的低電壓穿越裝置，包括直流鏈chopper和轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar裝置，并在全功率雙饋風(fēng)電試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測試，能夠根據(jù)實(shí)際設(shè)定值而正常投切，有效地保護(hù)了變流器的安全，同時(shí)發(fā)電機(jī)組在電壓跌落的全過程中并未脫網(wǎng)，向電網(wǎng)提供額定的無功功率以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，成功實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

[1]Johan Morren,Sjoerd W.H.de Haan.Ridethrough of Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator During a Voltage Dip.IEEE Trans.on Energy Conversion.June 2005.20 (1)：435-441

[2]王偉勝，范高鋒，趙海翔.風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定比較及其綜合控制系統(tǒng)初探 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(18)：73-77

[3]王偉,孫明冬,朱曉東.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)淺析 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(23)：84-89

[4]姚駿,廖勇.基于Crowbar保護(hù)控制的交流勵(lì)磁風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行分析 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(23)：79-83

[5]蔣雪冬，趙舫.應(yīng)對電網(wǎng)電壓驟降的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) Crowbar控制策略 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12)：84-89

[6]胡家兵，賀益康.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運(yùn)行與控制 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(2)：49-52

[7]胡書舉，李建林，梁亮，等.風(fēng)力發(fā)電用電壓跌落發(fā)生器研究綜述 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(2)：101-103