朱黎

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電是在我國(guó)新能源戰(zhàn)略下開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的新型發(fā)電模式，成為全球發(fā)展速度最快的清潔能源，也促使雙饋式發(fā)電機(jī)成為應(yīng)用最廣的，集變速運(yùn)行與變流器容量小優(yōu)點(diǎn)為—體的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。過(guò)去應(yīng)用的保護(hù)設(shè)備要求與電網(wǎng)解列，失去電網(wǎng)的支撐作用，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，基于此，當(dāng)電網(wǎng)、電壓跌落時(shí)風(fēng)電場(chǎng)需維持一定時(shí)間，確保電網(wǎng)連接不發(fā)生解列，這一要求即為低電壓穿越（LvRT）雙饋式分離發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)特征，存在諸多難點(diǎn)，比如，控制策略需滿足不同機(jī)組、不同參數(shù)適應(yīng)性，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流與直流母線過(guò)電壓均要在可承受范圍內(nèi)等。本文將對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行分析，提出技術(shù)應(yīng)用策略。

【關(guān)鍵詞】雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；低電壓穿越技術(shù)

風(fēng)電作為目前最具規(guī)模化開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源技術(shù)，在全球以年增長(zhǎng)率超過(guò)30%的速度成為發(fā)展最快的清潔能源。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則由于具有能夠變速運(yùn)行、變流器容量小等優(yōu)點(diǎn)正成為使用最廣泛的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)之一。目前，變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤其是雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障能力方面存在較大缺陷。電網(wǎng)發(fā)生故障容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓跌落，造成發(fā)電機(jī)定子電流增加。由于轉(zhuǎn)子與定子之間的強(qiáng)耦合，快速增加的定子電流會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流急劇上升。另外，由于風(fēng)力機(jī)調(diào)節(jié)速度較慢，故障前期風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能不會(huì)明顯減少，而發(fā)電機(jī)組由于機(jī)端電壓降低.不能正常向電網(wǎng)輸送電能，即有一部分能量無(wú)法輸人電網(wǎng)，這些能量由系統(tǒng)內(nèi)部消化，將導(dǎo)致電容充電、直流電壓快速升高、電機(jī)轉(zhuǎn)子加速、電磁轉(zhuǎn)矩突變等一系列問(wèn)題。上述問(wèn)題容易導(dǎo)致系統(tǒng)元器件的損壞。針對(duì)此問(wèn)題，目前國(guó)外許多電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提出了強(qiáng)制性要求；電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)須維持一定時(shí)間與電網(wǎng)連接而不解列，甚至要求風(fēng)電場(chǎng)在此過(guò)程中能提供無(wú)功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)“1。此要求即為低電壓穿越技術(shù)。

一、低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用要求

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下要求：（1）電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)電網(wǎng)與電壓、變流器不出現(xiàn)損壞。（2）將故障時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩躍變對(duì)齒輪箱與風(fēng)機(jī)造成的沖擊，進(jìn)而避免齒輪箱出現(xiàn)機(jī)械磨損。（3）需與電網(wǎng)的LVRT標(biāo)準(zhǔn)滿足，隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大規(guī)模發(fā)電項(xiàng)目被提上日程，但是風(fēng)力發(fā)電能源供應(yīng)不足，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)了不利影響。由此，加快LvRT標(biāo)準(zhǔn)制度對(duì)風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行有重要意義。

二、低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用

2.1傳統(tǒng)控制策略不適合故障過(guò)程控制

通過(guò)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的有功與無(wú)功解耦控制的控制方法，但是這種方法構(gòu)造單一，不能獲得更好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。此方法不適應(yīng)故障期間的控制分析：該控制方法將定子磁鏈的暫態(tài)過(guò)程忽略了，認(rèn)為定子磁鏈保持恒定.出現(xiàn)故障后電壓解耦控制將不能實(shí)現(xiàn)：其次，電機(jī)端電壓在出現(xiàn)故障會(huì)發(fā)生躍變，定子磁鏈測(cè)定應(yīng)用的積分器飽和，從而使磁鏈定向失去準(zhǔn)確性，從而使整個(gè)故障控制i撤得艱難圓。

2.2增加硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)增加電路使系統(tǒng)的LVRT得以實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)方法最為常見(jiàn)，適合雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的Crowbar的電路有很多。Crowbar電路選取非常重要，變流器端的電壓需控制好，不能太高也不能太低，不能對(duì)電流進(jìn)行限制。發(fā)生短路時(shí)可將Crowbar電路接入實(shí)現(xiàn)限流。如果電壓跌落持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，電機(jī)會(huì)在故障期間提供無(wú)功給電網(wǎng)，但是需要注意的是，切換不需要再使用特殊的控制方法，但是會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的暫態(tài)01。鑒于此過(guò)程電機(jī)沒(méi)有與電網(wǎng)發(fā)生解列，電機(jī)依然可以生成電磁轉(zhuǎn)矩，可以將風(fēng)棚產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩抵消。消除故障后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)馬上恢復(fù)原有的工作模式，如果不能采取這種模式，電壓恢復(fù)暫態(tài)容易出現(xiàn)與返回值不匹配的情況，容易使積分出現(xiàn)飽和，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的暫態(tài)響應(yīng)。由此，為了使切換更加平滑，必須將參考值設(shè)置為實(shí)際值，這樣才能使整個(gè)狀態(tài)是緩慢、安全的。

2.3能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

電壓出現(xiàn)跌落在故障期間難以對(duì)直流電壓控制時(shí)，可以應(yīng)用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（ESS），這一系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是能夠存儲(chǔ)過(guò)剩的能量，且在故障后將這些能量再次輸送到電網(wǎng)中川。這種方法避免了Crowbar運(yùn)行狀態(tài)切換問(wèn)題，還能避免出現(xiàn)切換失誤造成的暫態(tài)，可以持續(xù)調(diào)控系統(tǒng)，缺點(diǎn)是ESS不臺(tái)B控制轉(zhuǎn)子電流，為了使變流器不因轉(zhuǎn)子過(guò)電流出現(xiàn)損壞，需要使用較大容量側(cè)變流器。

2.4定子側(cè)的電子開(kāi)關(guān)

為了使系統(tǒng)控制能力得以保證，減少轉(zhuǎn)矩振蕩情況，可以在定子側(cè)與電網(wǎng)間并聯(lián)晶閘管作為電子開(kāi)關(guān)，從而分離定子快速與電網(wǎng)。其控制過(guò)程為：發(fā)生故障時(shí)，將定子與電網(wǎng)連接切斷，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的逆變器進(jìn)行控制，可以使電機(jī)順利去磁，實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)與電網(wǎng)的同步，使電機(jī)定子成功連接到電網(wǎng)，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)LvRT條件下的建模、控制實(shí)現(xiàn)，以及其對(duì)電網(wǎng)的影響，介紹了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)LVRT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）由于傳統(tǒng)暫態(tài)分析模型忽略了磁飽和、非線性成分、電磁暫態(tài)過(guò)程等內(nèi)容，如果使用它們進(jìn)行LVRT技術(shù)的研究可能會(huì)對(duì)故障嚴(yán)重性估計(jì)不足，從而影響保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。在故障分析過(guò)程中需使用更完整詳細(xì)的模型。

2）通過(guò)改進(jìn)控制策略可在很大程度上改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。但基于對(duì)能量守恒關(guān)系的分析，對(duì)于很?chē)?yán)重的電網(wǎng)電壓跌落故障，僅僅改進(jìn)控制策略很難同時(shí)克服系統(tǒng)的過(guò)電流和過(guò)電壓?jiǎn)栴}。因此，增加硬件電路是不可避免的。

3）幾種增加硬件電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的方法各有利弊，都存在一些較難克服的問(wèn)題。研究過(guò)程中可考慮幾種方法結(jié)合使用，或是改進(jìn)相應(yīng)的控制策略。

4）具備LVRT能力的風(fēng)電場(chǎng)不但不會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響，反而相對(duì)于傳統(tǒng)電站能夠改善系統(tǒng)的性能，這一特點(diǎn)決定了LVRT研究將是今后風(fēng)電研究中的一個(gè)重點(diǎn)。

中國(guó)的LVRT研究今后將主要面臨以下問(wèn)題：建立適用于中國(guó)電網(wǎng)的LVRT技術(shù)規(guī)范，且能夠針對(duì)具體區(qū)域電網(wǎng)、具體接入點(diǎn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)修改；建立具備LvRT能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，并將該模型集成于現(xiàn)有商業(yè)電力系統(tǒng)分析軟件中；形成對(duì)LVRT功能、效率、影響的評(píng)價(jià)方法，并建立相關(guān)測(cè)試與評(píng)估環(huán)境。

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