張永明， 史偉偉

(1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114;2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引言

繼2011年2月24日甘肅酒泉發(fā)生風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)事故之后，國(guó)家電監(jiān)會(huì)2011年5月5日再次通報(bào)4月發(fā)生在酒泉和河北張家口的兩起大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。據(jù)電監(jiān)會(huì)通報(bào)，2011年2月24日，甘肅酒泉發(fā)生598臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，損失出力840.43 MW，占事故前酒泉地區(qū)風(fēng)電出力的54.4%，造成西北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的 50.034 Hz 降至最低49.854 Hz。2011年4月17日，甘肅瓜州某風(fēng)電場(chǎng)電纜頭短路事故帶來(lái)的系列反應(yīng)造成702臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，損失出力1 006.223 MW，占事故前酒泉地區(qū)風(fēng)電出力的54.17%，造成西北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的50.036 Hz降至最低49.815 Hz。2011年4月17日，河北張家口某風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器發(fā)生短路事故，引起的系列反應(yīng)造成644臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，損失風(fēng)電出力854 MW，占事故前張家口地區(qū)風(fēng)電出力的48.5%，造成華北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的50.50 Hz降至最低49.95 Hz。電監(jiān)會(huì)報(bào)告指出，三起事故的起因都是電網(wǎng)設(shè)備故障，但是風(fēng)機(jī)多數(shù)不具備低電壓穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)能力是事故擴(kuò)大的主因，也是當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中存在的“首要問(wèn)題”。

1 LVRT概念

LVRT是指電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷地并網(wǎng)運(yùn)行，能夠?qū)ο到y(tǒng)恢復(fù)起到積極的作用，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間段。電網(wǎng)電壓跌落引起風(fēng)機(jī)一系列的暫態(tài)過(guò)程，導(dǎo)致過(guò)電壓、過(guò)電流或轉(zhuǎn)速上升等負(fù)面影響，嚴(yán)重危害發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的初期，LVRT技術(shù)并未引起人們的足夠重視。在風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率(風(fēng)電占電網(wǎng)的比重)較低時(shí)，系統(tǒng)允許風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)保護(hù)性切除，最大限度地保證風(fēng)機(jī)的安全，不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重影響。但是近年，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷攀升，若風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仍采取退出式解列，由于輸電網(wǎng)故障引起的大量風(fēng)電切除會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流的大幅變化，甚至可引起大面積停電，進(jìn)而帶來(lái)頻率的穩(wěn)定問(wèn)題。

2 電壓跌落對(duì)風(fēng)機(jī)的影響

2.1 對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的影響

在各種類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)以其調(diào)速范圍寬、有功和無(wú)功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)，以及所需勵(lì)磁變頻器容量較小等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代傳統(tǒng)的恒速恒頻籠型異步發(fā)電機(jī)組，成為國(guó)際主流風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品，占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。DFIG風(fēng)電機(jī)組的特征是定子直接與電網(wǎng)相連，電機(jī)通過(guò)勵(lì)磁變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位和幅值來(lái)間接調(diào)節(jié)定子側(cè)的輸出功率。該結(jié)構(gòu)不能分離DFIG與電網(wǎng)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，定子側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)和電網(wǎng)電壓之差將直接作用在定子電阻和定子漏抗上，定子回路將產(chǎn)生很大的沖擊電流(沖擊電流的大小與電網(wǎng)電壓的跌落程度有關(guān))。由于定、轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合，使得轉(zhuǎn)子側(cè)也感應(yīng)出過(guò)流和過(guò)壓。由于大電流會(huì)導(dǎo)致電機(jī)鐵心飽和、電抗減小，使定、轉(zhuǎn)子電流進(jìn)一步增大。轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器的電流以及有功和無(wú)功都會(huì)產(chǎn)生振蕩。這是因?yàn)镈FIG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(huì)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(huì)產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)壓、過(guò)流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對(duì)稱(chēng)故障的話(huà)，會(huì)使轉(zhuǎn)子過(guò)壓與過(guò)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(guò)流會(huì)損壞轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器，而過(guò)壓會(huì)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿?？傮w來(lái)說(shuō)，定子電壓驟降時(shí)在定子磁鏈中引起的直流分量和負(fù)序分量是可能造成轉(zhuǎn)子過(guò)電流的重要原因。

2.2 對(duì)永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的影響

相對(duì)于有刷雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中省去了傳動(dòng)齒輪箱，系統(tǒng)中無(wú)電刷和滑環(huán)，因此其運(yùn)行可靠性和發(fā)電效率得以提高，使得該類(lèi)發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中逐步得到廣泛應(yīng)用。與DFIG不同，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流器并網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，電壓差首先作用在電網(wǎng)側(cè)變換器。此時(shí)電網(wǎng)側(cè)變換器將無(wú)法完全輸出發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率，多余的能量將流入直流側(cè)電容進(jìn)行充電，若不采取合適的措施，直流側(cè)電容將充電至很高電壓，將直接危及并網(wǎng)變流器的安全運(yùn)行。為避免直流側(cè)過(guò)電壓和電網(wǎng)側(cè)變換器過(guò)電流，應(yīng)限制由電機(jī)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率。由于永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流器并網(wǎng)與電網(wǎng)完全隔離，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，如果在變流器部分采取相應(yīng)的措施，理論上可使風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行基本不受電網(wǎng)故障的影響，從而使直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在故障消除后能迅速恢復(fù)正常工作。

3 各國(guó)風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LVRT的要求

各國(guó)風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LVRT的要求不同。

(1)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn):美國(guó)要求風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓跌落至額定電壓的15%時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)有能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的LVRT能力;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)機(jī)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行。

(2)加拿大標(biāo)準(zhǔn):加拿大要求節(jié)點(diǎn)電壓跌落至零時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)具有維持運(yùn)行150 ms的LVRT能力;3 s內(nèi)恢復(fù)到節(jié)點(diǎn)額定電壓的85%時(shí)，風(fēng)機(jī)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行。

(3)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn):德國(guó)要求有功功率輸出在故障切除后立即恢復(fù)，并且每秒鐘至少增加額定功率的20%。若電壓跌落深度大于額定電壓均方根值的10%，機(jī)組必須切換至支持電壓。機(jī)組必須在通過(guò)提供電機(jī)端無(wú)功功率進(jìn)行的故障識(shí)別后20 ms內(nèi)提供電壓支持，無(wú)功功率的提供必須保證電壓每降低1%，無(wú)功電流增加2%。

(4)丹麥標(biāo)準(zhǔn):丹麥要求雙重電壓降落特性。它要求如果兩相短路100 ms后間隔300 ms再發(fā)生一次新的100 ms短路時(shí)不發(fā)生切機(jī);如果單相短路100 ms后間隔1 s再發(fā)生一次新的100 ms電壓降落時(shí)也不切機(jī);三相故障從額定電壓的20%～75%開(kāi)始持續(xù)存在，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)在電壓重新到達(dá)0.9 pu以上后，在10 s內(nèi)達(dá)到額定功率;在電壓恢復(fù)到0.9 pu后，在10 s內(nèi)滿(mǎn)足電網(wǎng)無(wú)功功率的交換要求;電壓降落期間，風(fēng)電場(chǎng)必須發(fā)到標(biāo)稱(chēng)電流1.0倍的無(wú)功電流。

(5)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn):我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)落后，2005年發(fā)布實(shí)施的GB/Z 19963—2005《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》屬指導(dǎo)性文件;2006年發(fā)布試行并于2009年重新修訂的國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》屬企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2010年8月，我國(guó)發(fā)布了能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T—2010《大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的征求意見(jiàn)稿。具體的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有望近期出臺(tái)。

按照Q/GDW 392—2009要求，中國(guó)風(fēng)電機(jī)組LVRT能力包括三項(xiàng)重要指標(biāo):

①風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms;

②風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行;

③風(fēng)電機(jī)組有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開(kāi)始，能以至少每秒10%額定功率的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

4 LVRT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

圖1 雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)已建成風(fēng)電場(chǎng)的改造。

對(duì)于已經(jīng)建成的風(fēng)電場(chǎng)，如果不具有LVRT能力，必須適應(yīng)當(dāng)前的并網(wǎng)規(guī)則要求，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行改造，目前有幾種方案可供選擇:在風(fēng)電場(chǎng)采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，動(dòng)態(tài)提供風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過(guò)程所消耗的無(wú)功，以恢復(fù)機(jī)端電壓;安裝可控串補(bǔ)效限制風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端輸出電流，提高風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端電壓;利用串聯(lián)制動(dòng)電阻在電網(wǎng)故障時(shí)提升風(fēng)電機(jī)組端電壓，并吸收過(guò)剩有功功率，進(jìn)而提高風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力;安裝超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，提高風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端電壓。

(2)雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為保證電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，DFIG及其變流器能繼續(xù)安全運(yùn)行，研究人員對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)的保護(hù)原理與控制策略做了大量的研究?？偨Y(jié)起來(lái)，雙饋發(fā)電機(jī)的主流LVRT技術(shù)有以下幾種。

①轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)。

Crowbar保護(hù)，也被稱(chēng)為撬棒技術(shù)，是風(fēng)電制造商較早使用的一種方法。大體分為被動(dòng)撬棒和主動(dòng)撬棒兩種。被動(dòng)撬棒是指轉(zhuǎn)子電路中采用晶閘管SCR元件，電網(wǎng)出現(xiàn)故障到一定限值就觸發(fā)Crowbar，從而保護(hù)風(fēng)機(jī)。其控制完全是一種被動(dòng)的自我保護(hù)，不對(duì)電網(wǎng)提供電壓支撐，并且在電網(wǎng)故障切除后也不能立即對(duì)電網(wǎng)恢復(fù)供電。

主動(dòng)撬棒利用可關(guān)斷器件，如GTO，IGBT等代替晶閘管。發(fā)電機(jī)需要保護(hù)時(shí)觸發(fā)雙向開(kāi)關(guān)，將旁路電阻納入轉(zhuǎn)子回路。旁路電阻的取值甚為關(guān)鍵，阻值過(guò)小起不到限流的目的，阻值過(guò)大又會(huì)在轉(zhuǎn)子變流器側(cè)帶來(lái)過(guò)電壓，對(duì)轉(zhuǎn)子變流器不利。

Crowbar動(dòng)作后，雙饋發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子變流器直流電壓降低到設(shè)定的保護(hù)值以下時(shí)，需要重新恢復(fù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式。為防止Crowbar切除時(shí)產(chǎn)生較大的電流振蕩，引起保護(hù)電路的再次動(dòng)作，需要對(duì)切換過(guò)程進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和控制。

需要指出，雖然Crowbar技術(shù)能保證電網(wǎng)電壓短時(shí)跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)，緩解了對(duì)電網(wǎng)的不利影響，但是也存在一些缺點(diǎn):首先，需要增加新的保護(hù)裝置，從而增加了系統(tǒng)成本;另外，電網(wǎng)故障時(shí)，雖然勵(lì)磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組得到了保護(hù)，但此時(shí)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行的機(jī)組將從系統(tǒng)中吸收大量的無(wú)功功率，這將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化，而且傳統(tǒng)的Crowbar保護(hù)電路的投切操作會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。

②定子側(cè)電阻陣列保護(hù)。

將一系列與雙向交流開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電阻陣列連接在DFIG定子與電網(wǎng)傳輸線(xiàn)之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，所有交流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通;一旦檢測(cè)到電網(wǎng)電壓下降，則通過(guò)控制交流開(kāi)關(guān)的觸發(fā)角來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)裝置的等效阻抗，DFIG輸出的電流流過(guò)該阻抗后，將提高DFIG定子端電壓，從而保證DFIG端電壓在一定的數(shù)值之上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在電網(wǎng)電壓跌落的情況下保持DFIG與電網(wǎng)的連接，缺點(diǎn)是需要使用大量大功率晶閘管，硬件成本較高，且電阻損耗大。

③電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)額外的變換器。

這種技術(shù)通過(guò)電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器來(lái)提高DFIG機(jī)組的LVRT能力。這種電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器能夠?qū)收想妷哼M(jìn)行補(bǔ)償，保證DFIG定子電壓的穩(wěn)定，相當(dāng)于一臺(tái)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器。通過(guò)調(diào)節(jié)DFIG定子磁鏈并使之保持穩(wěn)定，從而減小甚至消除定子電壓突變引起的一系列暫態(tài)電磁現(xiàn)象，如電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子電流，以及有功、無(wú)功功率的振蕩。另外，將DFIG未能及時(shí)輸出的能量通過(guò)直流母線(xiàn)環(huán)節(jié)輸送到電網(wǎng)，防止直流母線(xiàn)電壓過(guò)高。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)零電壓穿越，具有優(yōu)良的LVRT能力，缺點(diǎn)是成本高、控制復(fù)雜。

④故障期間的控制策略。

為了盡可能少地增加成本，許多學(xué)者都在尋求不增加硬件控制電路，從改善DFIG控制策略的角度來(lái)探索DFIG LVRT的實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)的基于定子磁場(chǎng)定向或定子電壓定向的矢量控制方法一般采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，具有一定的抗干擾能力。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)較大幅度的跌落時(shí)，PI調(diào)節(jié)器容易出現(xiàn)輸出飽和，難以回到有效調(diào)節(jié)狀態(tài)，使電壓下降和恢復(fù)之后的一段時(shí)間內(nèi)，DFIG實(shí)際上處于非閉環(huán)的失控狀態(tài)。為了克服傳統(tǒng)矢量控制的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量的改進(jìn)控制策略。例如:基于魯棒控制技術(shù)的H和μ-analysis方法設(shè)計(jì)控制器;基于靜止無(wú)功補(bǔ)償器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)模式的控制方法;勵(lì)磁電壓控制法:針對(duì)電網(wǎng)電壓突降時(shí)定子磁鏈中的暫態(tài)直流和負(fù)序分量，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓使之產(chǎn)生出抵消性質(zhì)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量及相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分量。

(3)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)。

由圖2可見(jiàn)，和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同，直驅(qū)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間沒(méi)有直接聯(lián)系，對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力主要取決于并網(wǎng)變流器。并網(wǎng)變流器采用PWM方式，既可以向電網(wǎng)輸出有功也可以向電網(wǎng)輸出無(wú)功，而且既可輸出超前無(wú)功也可以輸出滯后無(wú)功，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。因此對(duì)電網(wǎng)電壓跌落具有較好的適應(yīng)能力，并且在電壓跌落時(shí)可以靈活地向電網(wǎng)提供無(wú)功支持，從而有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，因此對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究有著重要的意義。

圖2 基于雙PWM的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，在電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是變流器環(huán)節(jié)能量堆積及其引發(fā)的過(guò)壓、過(guò)流問(wèn)題。電網(wǎng)電壓跌落瞬間變流器輸出功率的減小，而發(fā)電機(jī)的輸出功率瞬時(shí)不變，功率不匹配將導(dǎo)致DC-Link(直流母線(xiàn))電壓上升，威脅電力電子器件的安全。如采取控制措施穩(wěn)定DC-Link電壓，必然會(huì)導(dǎo)致輸出到電網(wǎng)的電流增大，過(guò)大的電流同樣會(huì)威脅變流器的安全。當(dāng)變流器直流側(cè)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)相對(duì)DFIG而言較為容易。

解決LVRT期間能量不平衡的辦法一是增加卸荷之路，釋放掉多余的能量;二是減少發(fā)電機(jī)的輸出動(dòng)率，使能量達(dá)到新的平衡狀態(tài)。第一種方法與雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的Crowbar電路類(lèi)似，通過(guò)卸荷電阻的投入和切除實(shí)現(xiàn);后一種主要通過(guò)機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)。

①直流側(cè)Crowbar電路保護(hù)。

直流側(cè)增加過(guò)壓保護(hù)Crowbar電路，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的LVRT，使風(fēng)機(jī)能夠保持正常運(yùn)行，故障消除后系統(tǒng)快速恢復(fù)至額定輸出。

②機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)控制策略。

由圖3可見(jiàn)，機(jī)側(cè)PWM變流器的控制策略是保持中間直流電壓恒定，而網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)是根據(jù)電網(wǎng)功率指令實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤。二者都采用雙閉環(huán)方法。當(dāng)電壓跌落時(shí)，并網(wǎng)功率隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低而降低，為了保持中間電壓恒定，機(jī)側(cè)變流器降低電流內(nèi)環(huán)指令，使發(fā)電機(jī)輸出功率減小。需要指出的是，發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小勢(shì)必造成電磁轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的不平衡，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，對(duì)于兆瓦級(jí)的機(jī)組來(lái)說(shuō)，有巨大的慣性，轉(zhuǎn)矩不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響并不嚴(yán)重。

圖3 機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)控制框圖

5 風(fēng)機(jī)LVRT能力測(cè)試

5.1 LVRT測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

為滿(mǎn)足國(guó)際及國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行LVRT能力檢測(cè)的需要，各國(guó)均開(kāi)展了LVRT檢測(cè)系統(tǒng)的研究，并開(kāi)展了一些LVRT檢測(cè)工作。

2003年，Enercon和FGH合作，在其2 MW風(fēng)電機(jī)組E-66上進(jìn)行了全世界第一次LVRT測(cè)試，2004年，F(xiàn)GH給Enercon公司頒發(fā)了第一張LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試認(rèn)證證書(shū)。測(cè)試中采用的是FGH研制的分壓型LVRT測(cè)試系統(tǒng)，電壓等級(jí)為20 kV。

2005年，ABB進(jìn)行了北美最早的 LVRT測(cè)試，測(cè)試中，通過(guò)斷開(kāi)風(fēng)電機(jī)組上游斷路器并重合閘的方法模擬電壓跌落，跌落時(shí)間分別是300 ms、400 ms和500 ms。測(cè)試中對(duì)風(fēng)電機(jī)組及連接點(diǎn)的電氣參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，采樣頻率為120 Hz。測(cè)試結(jié)果表明其被測(cè)機(jī)組在電壓跌落過(guò)程中能夠持續(xù)工作，故障恢復(fù)后，風(fēng)機(jī)重新恢復(fù)到設(shè)定功率水平。同年，ABB還采用分壓型測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其1.6 MW雙饋異步發(fā)電機(jī)和200 kW同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)為690 V系統(tǒng)，測(cè)試點(diǎn)選在風(fēng)電機(jī)組線(xiàn)端。測(cè)試結(jié)果也表明，這兩類(lèi)機(jī)型能夠?qū)崿F(xiàn)LVRT功能。2006年，ABB采用重合閘的方法再次進(jìn)行測(cè)試，但這次測(cè)試沒(méi)有成功。在斷路器斷開(kāi)后，風(fēng)機(jī)線(xiàn)端出現(xiàn)過(guò)電壓，隨后保護(hù)動(dòng)作，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。為能夠在風(fēng)電機(jī)組變壓器中壓側(cè)進(jìn)行測(cè)試，ABB隨后在2008和2009年開(kāi)發(fā)了20 kV分壓型測(cè)試系統(tǒng)，成功進(jìn)行了多次LVRT功能測(cè)試。

2010年，我國(guó)電科院和FGH公司合作，完成我國(guó)首次LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。采用的測(cè)試系統(tǒng)是FGH公司的分壓型系統(tǒng)。同年，西門(mén)子公司和北車(chē)集團(tuán)合作，在試驗(yàn)系統(tǒng)上也完成了LVRT測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)是西門(mén)子公司設(shè)計(jì)的分壓型系統(tǒng)。

2011年3 月，廣西銀河艾萬(wàn)迪斯風(fēng)力發(fā)電有限公司宣布其自主研發(fā)的2.5 MW直驅(qū)永磁機(jī)組成功通過(guò)了中國(guó)電科院和GL的LVRT測(cè)試。目前，LVRT測(cè)試能力較強(qiáng)的是FGH公司，許多風(fēng)機(jī)制造企業(yè)和認(rèn)證、科研單位購(gòu)買(mǎi)其開(kāi)發(fā)的分壓型測(cè)試系統(tǒng)。雖然也有公司在研發(fā)，如ABB、西門(mén)子等，但都沒(méi)有真正市場(chǎng)化。

我國(guó)一些科研單位近年來(lái)也在積極開(kāi)展LVRT測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)。2009年，中國(guó)電科院電工所對(duì)基于自耦變壓器的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并完成了380 V/20 kVA試驗(yàn)樣機(jī)。浙江大學(xué)也對(duì)基于自耦變壓器的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，完成了190 V和380 V的基本功能試驗(yàn)。上海大學(xué)也完成了基于自耦變壓器的380 V/15 kVA試驗(yàn)系統(tǒng)。2010年，浙江大學(xué)還對(duì)基于全功率變換器的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并完成了380 V/15 kVA試驗(yàn)樣機(jī)?？偟膩?lái)講，我國(guó)對(duì)LVRT測(cè)試系統(tǒng)的研究還處于初級(jí)階段，和國(guó)外差距還較大。

5.2 LVRT測(cè)試系統(tǒng)原理

圖4為金風(fēng)1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)鋱D。測(cè)試設(shè)備通過(guò)電網(wǎng)側(cè)斷路器CB-GRID和風(fēng)機(jī)側(cè)斷路器CB-WT分別與中壓電網(wǎng)及風(fēng)電機(jī)組箱變高壓側(cè)相連。

圖4 金風(fēng)1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)LVRT測(cè)試示意圖

為了測(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的LVRT性能，同時(shí)不影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，在被測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)35 kV高壓塔架處將LVRT測(cè)試設(shè)備分別與風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變和中壓電網(wǎng)相連。此檢測(cè)設(shè)備可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低到測(cè)試所要求的電壓，同時(shí)保證對(duì)風(fēng)機(jī)高壓側(cè)輸電線(xiàn)路(35 kV)的電壓影響范圍為±5%Un，Un為額定線(xiàn)電壓。

5.3 LVRT測(cè)試系統(tǒng)步驟

LVRT測(cè)試步驟具體如下:

(1)調(diào)整限流電抗器Xsr和短路電抗器Xsc的電抗值。限流電抗器Xsr的取值與系統(tǒng)電壓、風(fēng)電機(jī)組額定容量及公共連接點(diǎn)的短路容量有關(guān)。短路電抗Xsc與擬模擬的電壓跌落有關(guān)。

(2)閉合斷路器 CB1、CB-GRID和CB-WT，接入測(cè)試系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

(3)斷開(kāi)斷路器CB1，投入限流電抗器Xsr。

(4)閉合斷路器CB2，通過(guò)將短路電抗器Xsc短接，產(chǎn)生三相或兩相短路，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落。

按照IEC61400-21:2008標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，具體的測(cè)試要求如下:

(1)風(fēng)電機(jī)組輸出標(biāo)稱(chēng)有功功率大于 0.9 pu;

(2)風(fēng)電機(jī)組輸出標(biāo)稱(chēng)有功功率為0.1～0.3 pu;

(3)三相短路測(cè)試;

(4)兩相短路測(cè)試;

(5)相同情況的電壓跌落連續(xù)重復(fù)測(cè)試兩次。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從原理上闡述了電網(wǎng)電壓驟降對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的影響，介紹了當(dāng)前兩種風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提高LVRT能力的硬件措施和軟件策略，介紹了目前風(fēng)機(jī)低電壓測(cè)試技術(shù)的研究現(xiàn)狀?？梢钥闯?研制各種低成本、高可靠性、控制簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置，研究滿(mǎn)足對(duì)不同機(jī)組、不同參數(shù)均有適應(yīng)性的先進(jìn)控制策略是今后LVRT技術(shù)的發(fā)展方向;另外建立適合我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際情況的LVRT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)靈活完整的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，同樣具有非常重要的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

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