風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低壓穿越能力探討

陳少陽(yáng)

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例的迅速增加，如何滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題。低電壓穿越技術(shù)是一個(gè)代表性的強(qiáng)制性并網(wǎng)要求，特別是在一些歐洲風(fēng)力發(fā)電大國(guó)和美國(guó)也是如此。在該文中，分析和比較低電壓穿越不同國(guó)家的要求，主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低壓穿越能力探討。

關(guān)鍵詞：低電壓穿越 變流器 DFIG 直驅(qū) 短路器 電網(wǎng)接入技術(shù) 能力探討

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0108-02

在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的初級(jí)階段，電網(wǎng)中的風(fēng)電功率很小，因此不需要參與電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)本身的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性無(wú)法保證，通常采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以保證風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全。

在風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例迅速增加。因此，滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求的同時(shí)，避免供電中斷已成為風(fēng)電行業(yè)面臨的主要問(wèn)題。2003，德國(guó)電力工業(yè)巨頭E.ON Netz公司發(fā)布了一個(gè)強(qiáng)制性的風(fēng)電并網(wǎng)的要求。一旦電網(wǎng)需要一個(gè)故障，風(fēng)電場(chǎng)必須保持在電網(wǎng)運(yùn)行中的電網(wǎng)電壓恢復(fù)。在同一時(shí)間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠支持電網(wǎng)電壓。

1 關(guān)于低電壓穿越的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，以連接到電網(wǎng)。這些標(biāo)準(zhǔn)通常是由電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商制定的。更重要的標(biāo)準(zhǔn)之一是低電壓穿越。

低電壓穿越是電力傳輸系統(tǒng)故障時(shí)的情況，而不是變電站的情況。不同國(guó)家的低電壓穿越能力不同。此外，故障清除時(shí)間的要求是不一樣的。

1.1 2003版網(wǎng)絡(luò)公司E.ON標(biāo)準(zhǔn)

2003年初，德國(guó)utility & transmission operator-E.ON發(fā)布的一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求是連接110kV甚至更高電壓等級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，由于三相短路和電網(wǎng)電壓的150ms網(wǎng)絡(luò)的電壓降不能恢復(fù)到80%的額定電壓。排除故障后，必須立即輸出有功功率，至少20%的額定功率。除了上面提到的要求功率的增長(zhǎng)率，20 ms內(nèi)發(fā)電機(jī)必須被發(fā)送到支持電網(wǎng)故障后確認(rèn)（電網(wǎng)電壓下降1%，2%的無(wú)功功率）。這一要求是沒(méi)有充分發(fā)展的，它被假定的故障的交叉是最嚴(yán)重的情況，從電網(wǎng)穩(wěn)定的角度來(lái)看，是相對(duì)稱故障。

1.2 2006版E.ON Netz GmbH標(biāo)準(zhǔn)

在2005年德國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商和德國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，操作和電網(wǎng)擴(kuò)展的進(jìn)一步發(fā)展的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。這項(xiàng)研究的結(jié)果是發(fā)布的新版并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

該公司新標(biāo)準(zhǔn)建立了風(fēng)電場(chǎng)不能滿足電網(wǎng)連接的風(fēng)電場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的目的是讓風(fēng)扇能夠抵抗電壓降，避免電網(wǎng)故障。干擾電壓和干擾中，典型的固定的速度感應(yīng)發(fā)電機(jī)在任何瞬時(shí)無(wú)功率損耗必須完成在400ms，可以按照上面提到的電壓支持。

另E.ON公司頒布了兩低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的發(fā)電站。一種是傳統(tǒng)火電站，另一種是非常規(guī)電站，其中包括風(fēng)電機(jī)組。

對(duì)于一個(gè)清除時(shí)間為150 ms、3相短路的故障在發(fā)電站整個(gè)工作范圍內(nèi)不應(yīng)當(dāng)引起電網(wǎng)不穩(wěn)定也不能脫網(wǎng)。

當(dāng)上面提到的同步發(fā)電機(jī)組直接連接到電網(wǎng)的情況下，它是另一種電站（包括風(fēng)輪機(jī)）。當(dāng)電網(wǎng)故障位于電站外的故障時(shí)，不能取下網(wǎng)絡(luò)。

1.3 低電壓穿越要求的比較分析

低電壓穿越風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)要求，不僅不能在這樣的暫態(tài)故障狀態(tài)下進(jìn)行電網(wǎng)的供電。有的標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)電場(chǎng)中提供無(wú)功功率，而其他標(biāo)準(zhǔn)只需要在暫態(tài)過(guò)程中不消耗功率不。有一些標(biāo)準(zhǔn)，確定這些要求適用于3個(gè)相對(duì)對(duì)稱的電壓或非對(duì)稱電壓（因?yàn)橛锌赡苁且粋€(gè)單一的相對(duì)傳輸線故障），和其他標(biāo)準(zhǔn)是沒(méi)有這樣的問(wèn)題的一個(gè)明確的解釋。

現(xiàn)有的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)的通用電氣風(fēng)能。每一個(gè)標(biāo)志線代表我們研究國(guó)家電網(wǎng)最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。有一些線段是限位的情況下，在正常情況下是那些傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組不能滿足。

NGC（國(guó)家電網(wǎng)公司-英格蘭和威爾士的電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商）標(biāo)準(zhǔn)和公司標(biāo)準(zhǔn)的比較。他們之間有兩個(gè)主要區(qū)別：E.on標(biāo)準(zhǔn)的電壓跌落維持時(shí)間更為苛刻嚴(yán)格（NGC線下面的紅色線）以及NGC標(biāo)準(zhǔn)要穿越的電壓降落更為嚴(yán)格苛刻-下降到0（對(duì)應(yīng)E.ON的15%）。

給出了NGC標(biāo)準(zhǔn)和愛(ài)爾蘭跨斷層標(biāo)準(zhǔn)的比較。同樣的問(wèn)題在E.ON兩發(fā)現(xiàn)也可以在這里找到。這是高壓電網(wǎng)零電壓故障的要求，以及長(zhǎng)時(shí)間電壓降的相對(duì)松散的要求（相對(duì)于愛(ài)爾蘭風(fēng)電并網(wǎng)）。與E.ON標(biāo)準(zhǔn)比較，同樣的結(jié)論也適用于這里。有一點(diǎn)要注意的是，愛(ài)爾蘭的標(biāo)準(zhǔn)適用于110kV電網(wǎng)連接的風(fēng)電場(chǎng)。在愛(ài)爾蘭的標(biāo)準(zhǔn)電壓降比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。愛(ài)爾蘭網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)覆蓋110kV電網(wǎng)及其修訂標(biāo)準(zhǔn)考慮了電網(wǎng)的薄弱部位。

2 低電壓穿越能力探討

雙饋發(fā)電機(jī)和全功率變流器是市場(chǎng)上最流行的2種變速風(fēng)力機(jī)模型。圖1雙饋系統(tǒng)和全動(dòng)力系統(tǒng)的比較。在雙饋發(fā)電機(jī)，定子和電網(wǎng)的直接連接。這種情況下的定子的動(dòng)態(tài)特性是不理想的。如果在齒輪箱的情況下不使用電力系統(tǒng)，它是我們常說(shuō)的直接驅(qū)動(dòng)裝置。完整的電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組和電網(wǎng)的完全解耦。單元與電網(wǎng)之間的完全解耦是通過(guò)優(yōu)化方案滿足低電壓穿越的要求，這是由于電網(wǎng)在轉(zhuǎn)矩和電流控制中的故障比較容易控制的。此外，通過(guò)一個(gè)更深入的分析的成本，我們發(fā)現(xiàn)，雙饋系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)，將不再是如果我們考慮所有的成本因素。

2.1 全功率變換風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種方法是使用全功率變換器。全功率變換是通過(guò)全功率變換器對(duì)電網(wǎng)的所有功率的發(fā)電機(jī)。電壓源換流器可以滿足要求的故障交叉性能，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)直流母線實(shí)現(xiàn)隔離的電網(wǎng)和電網(wǎng)不會(huì)受到嚴(yán)重影響的短路。一旦發(fā)生故障，電網(wǎng)側(cè)變流器限制了有功功率輸出，并通過(guò)向電網(wǎng)注入無(wú)功功率來(lái)支持電壓。在電纜和直流母線電容器的分布中，將發(fā)電容量存儲(chǔ)在直流母線電容器中，從而導(dǎo)致直流母線電壓的上升。一旦電壓上升到閾值以上，該轉(zhuǎn)換器將限制有功功率的發(fā)電能力，因此，能源是暫時(shí)儲(chǔ)存在風(fēng)扇葉輪中，它可能會(huì)導(dǎo)致葉輪開(kāi)始加速。一旦故障被清除，無(wú)功功率的支持作用逐漸成為不必要的，并且隨著所需的功率的增加，有功功率的輸出將逐漸增加。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組繼續(xù)工作后，故障已被清除。

當(dāng)?shù)碗妷菏鹿剩惋L(fēng)機(jī)功率不能完全送入電網(wǎng)，特別是當(dāng)故障與風(fēng)電場(chǎng)比較接近時(shí)。所以我們需要管理能量，直到電壓恢復(fù)正常工作。一種方法是簡(jiǎn)單地把能量消耗在電阻負(fù)載上。

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全功率變流器通常采用（永磁同步）同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)通過(guò)一個(gè)并網(wǎng)的后端轉(zhuǎn)換器。直流回路是由兩個(gè)轉(zhuǎn)換器解耦的，可單獨(dú)控制。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。整流器的能量被送到直流母線上。電網(wǎng)側(cè)變流器將直流母線供電網(wǎng)絡(luò)。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器決定了系統(tǒng)的總功率，逆變器供電的電網(wǎng)。圖2（a）是轉(zhuǎn)換器的控制結(jié)構(gòu)。

電網(wǎng)中的故障會(huì)使變頻器端電壓降，而且由于電流是有限的，會(huì)導(dǎo)致逆變器供電電網(wǎng)的能量會(huì)降低，直流母線電壓會(huì)增加。為了避免直流母線電壓過(guò)高，應(yīng)采用電網(wǎng)側(cè)變流器的控制。通過(guò)引用最大功率輸入到電網(wǎng)。使用電機(jī)側(cè)變流器的功率控制整流器的功率，以避免直流母線電壓過(guò)高。控制結(jié)構(gòu)圖2（b）所示。由于供應(yīng)減少直流母線供電，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將增加。為了避免風(fēng)力渦輪機(jī)過(guò)快的速度，通過(guò)變槳來(lái)減少輸入的機(jī)械功率有可能是十分必要的。然而，這是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，所以發(fā)電機(jī)的速度很可能繼續(xù)增加在一定時(shí)期內(nèi)。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（DFIG）

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障中由于在定子電流浪涌浪涌引起的轉(zhuǎn)子電路和變頻器的沖擊下，承受更高的流量沖擊。為了避免損壞電氣和機(jī)械零件，風(fēng)機(jī)應(yīng)當(dāng)脫網(wǎng)。然而，這種解決方案是不可取的，特別是對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題造成的電網(wǎng)干擾的時(shí)間短的情況下。因此，需要一些主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

該變換器不同于直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。該轉(zhuǎn)換器是連接在定子和電網(wǎng)之間，和該轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)連接。電壓暫降性能是變頻器的電壓幅度。為了保證在電網(wǎng)中的恒定功率，電流將增加。然而，電流應(yīng)受到電流控制器的限制，以避免轉(zhuǎn)換器的過(guò)載。因此，這就限制了電壓跌落時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)能量饋入電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)端部的電壓降落會(huì)導(dǎo)致DFIG的定子繞組振蕩電流。檢測(cè)到轉(zhuǎn)子側(cè)的故障電流，轉(zhuǎn)子電路和轉(zhuǎn)換器也將流過(guò)大的振蕩電流。大電流會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的熱擊穿。通過(guò)短路，該轉(zhuǎn)換器可以避免損壞轉(zhuǎn)換器。然而，由于短路的出現(xiàn)，直流母線電壓不向上或向下，這取決于發(fā)電機(jī)工作在二或同步狀態(tài)。此外，由于輸出和輸入機(jī)械功率饋風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)不平衡，有時(shí)會(huì)加速風(fēng)。這使DFIG的低電壓穿越更復(fù)雜，它似乎比直接耦合的感應(yīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)更困難。

雙饋電機(jī)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的方法之一是使用短路。該轉(zhuǎn)子是暫時(shí)短路，以保護(hù)轉(zhuǎn)換器，然后發(fā)電機(jī)以保持電網(wǎng)故障達(dá)到故障清除，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器被重新激活。如果發(fā)電機(jī)在狀態(tài)的狀態(tài)，情況是更復(fù)雜的。這是因?yàn)槎搪窋嗦菲鲿?huì)將轉(zhuǎn)子繞組短路。然而，在這種情況下，電機(jī)需要從轉(zhuǎn)子側(cè)的功率吸收。該發(fā)電機(jī)的工作原理類似于異步發(fā)電機(jī)的二次同步狀態(tài)，以加速超同步狀態(tài)。即使在有源短路，直流母線可能需要增加直流母線電容，以穩(wěn)定直流母線電壓和恢復(fù)后的故障間隙的有功功率。

雖然這種方法似乎比較簡(jiǎn)單和成本效益，但在很大程度上取決于實(shí)際性能的初始運(yùn)行狀態(tài)和故障特征。對(duì)繞線式異步發(fā)電機(jī)的短路是鼠籠式發(fā)電機(jī)，和籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)的操作是不相同的。當(dāng)短路斷路器被拆除時(shí)，暫態(tài)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的初始化控制和同步是很復(fù)雜的，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備的啟動(dòng)。

Niiranen（2004年）提出了幾個(gè)短斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如反并聯(lián)晶閘管短路，半控晶閘管橋斷路器和二極管橋式電路斷路器。轉(zhuǎn)子相電流通過(guò)二極管和IGBT整流橋晶閘管或是用來(lái)控制短路。短路是由一個(gè)與轉(zhuǎn)子和一個(gè)晶閘管與一個(gè)電阻的電流rcrow系列二極管整流橋。當(dāng)直流母線電壓Udc達(dá)到最大值或轉(zhuǎn)子電流達(dá)到極限值時(shí)，轉(zhuǎn)子與DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器從轉(zhuǎn)子側(cè)變換器分離，連接短路。該轉(zhuǎn)子在主電路和斷路器之間連接，直到定子和電網(wǎng)斷開(kāi)。當(dāng)電網(wǎng)故障排除后，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的啟動(dòng)，定子與電網(wǎng)連接的同步發(fā)電機(jī)后。上面描述的轉(zhuǎn)子過(guò)流保護(hù)稱為無(wú)源短路。

同樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可用于低電壓穿越特性的有源短路斷路器。與傳統(tǒng)的無(wú)源電路相比，有源短路是由半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的。這種短路切斷短路電流所需的轉(zhuǎn)子，使機(jī)組能通過(guò)電網(wǎng)。如果轉(zhuǎn)子電流或直流環(huán)節(jié)電壓達(dá)到極限，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的IGBT受阻。在短路斷路器的過(guò)程中，檢測(cè)電路的電阻電壓和直流母線電壓。當(dāng)上述兩個(gè)電壓足夠低，短路斷路器的去除。經(jīng)過(guò)短時(shí)間的延遲，轉(zhuǎn)子電流減小，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，無(wú)功功率輸出支持電網(wǎng)。

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