風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究

[摘 要]隨著我國風(fēng)電穿越技術(shù)的飛速提升，低電壓穿越作為電力行業(yè)熱點(diǎn)備受關(guān)注。文章根據(jù)國網(wǎng)的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，闡述了風(fēng)電設(shè)備的低電壓穿越要求，解析了電網(wǎng)電壓驟降時(shí)DFIG的動態(tài)特性，介紹了硬件的布局設(shè)計(jì)，結(jié)合DBR、Crowbar及轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管等，輔以主控系統(tǒng)及網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)變流器的低穿控制算法進(jìn)行模擬驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該低電壓穿越策略可有效保障電網(wǎng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；低電壓穿越技術(shù)

[中圖分類號]TM614 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0024–03

Research on Low Voltage Crossing Technology of Wind Power Generation System

AI Yong，ZHANG Xiaolong

[Abstract]With the rapid improvement of wind power traverse technology in China， low voltage traverse has attracted much attention as a hot spot in the power industry. According to the low voltage crossing standard of the State grid， this paper expounds the low voltage crossing requirements of wind power equipment， analyzes the dynamic characteristics of DFIG when the grid voltage plunts， introduces the layout design of the hardware， combines DBR， Crowbar and rotor current continuous diode， and simulates the low crossing control algorithm of the main control system and the converter on the grid side and the machine side. The simulation results show that the low voltage crossing strategy can effectively guarantee the continuous and stable operation of power grid.

[Keywords]wind power generation； wind power generation system； low voltage ride through technology

1 低電壓穿越技術(shù)要求概述

低電壓穿越技術(shù)的核心需求包括：①電網(wǎng)故障時(shí)應(yīng)保持連接并具備故障時(shí)無斷開風(fēng)險(xiǎn)的能力。我國要求風(fēng)電場在電網(wǎng)過載85%深度時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，我國電網(wǎng)降壓期間的持續(xù)聯(lián)網(wǎng)時(shí)間規(guī)定為525 ms，全球平均約在450 ms。②電網(wǎng)故障期間應(yīng)具有滿足動態(tài)無功要求的能力。要求即使在電源暫時(shí)中斷狀態(tài)下，發(fā)電設(shè)備仍能為電網(wǎng)迅速注入無功電流，幫助電網(wǎng)維持適當(dāng)電壓，防止超限。③在故障排除后，應(yīng)迅速恢復(fù)至常態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。判斷風(fēng)電場恢復(fù)速度的關(guān)鍵在于是否能在最短時(shí)間內(nèi)重新進(jìn)入高效能輸出模式，避免出現(xiàn)任何接地情況，確保電力供應(yīng)的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

2 網(wǎng)壓跌落時(shí)DFIG動態(tài)特性

3 硬件描述

3.1 DBR

DBR（動態(tài)制動電阻器）電路由IGBT與電阻串聯(lián)構(gòu)建，并連接至直流母線上，其特點(diǎn)是能限制直流母線電壓高于預(yù)設(shè)值。當(dāng)電壓超出此范圍時(shí)，可通過軟件操控IGBT的打開以釋放電阻儲蓄的能量，使得直流電壓保持穩(wěn)定。合理設(shè)定DBR的控制邏輯能夠在不同運(yùn)行狀態(tài)（包括正常模式、LVRT（低電壓穿越）狀態(tài)以及故障狀態(tài)）時(shí)激活DBR，發(fā)揮應(yīng)有的保護(hù)作用。

3.2 Crowbar電路（過電壓保護(hù)電路）

Crowbar電路由電阻、晶閘管和三相不控整流橋等部件組成，接入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出端口。在此之中，發(fā)電機(jī)的三相交流電經(jīng)由不控整流成直流電，同時(shí)晶閘管的觸發(fā)信號可運(yùn)用軟件調(diào)控在Crowbar電阻上釋放電能。

3.3 二極管整流橋

研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT狀態(tài)下，機(jī)側(cè)變流器停止工作，導(dǎo)致Crowbar失效。然而，鑒于定轉(zhuǎn)子具備強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)，轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)電流將導(dǎo)致定子電流驟然增大。為了合理地釋放此類工況下的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流，在直流母線與轉(zhuǎn)子輸出端增設(shè)了轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管整流橋，以引導(dǎo)其注入直流母線上進(jìn)行DBR處理。

3.4 UPS裝置

不間斷電源設(shè)備（UPS）主要應(yīng)用于主控系統(tǒng)，以確保其在電壓下降時(shí)仍可獲得持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。值得注意的是，在LVRT流程中，控制系統(tǒng)的電源電壓亦可能發(fā)生波動，控制系統(tǒng)的電壓源為400 V。為了順利保障電源模塊在電壓下降過程中能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的控制電壓，選用了Phoenix/24 V/40 A小型電源模塊作為UPS。

4 軟件描述

4.1 主控系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)配置PLC硬件平臺，利用CAN通信操控變流器，接收并傳輸伺服控制器傳來的變槳信號。在LVRT運(yùn)行狀態(tài)下，主控系統(tǒng)根據(jù)捕獲的最大風(fēng)能靈活調(diào)整電流指令，電網(wǎng)電壓恢常后進(jìn)一步校準(zhǔn)，確保電流穩(wěn)平而限制在合理范圍，防范電流突升，同時(shí)采用軟件進(jìn)行濾波處理。若遇上嚴(yán)峻風(fēng)暴影響LVRT工作，主控系統(tǒng)應(yīng)對多種風(fēng)速強(qiáng)度可優(yōu)化變槳系統(tǒng)控制。正常運(yùn)行條件下，雙饋式風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)變化穩(wěn)定，無需大幅調(diào)控變槳機(jī)制；若轉(zhuǎn)速急劇變動，需立即操縱槳角預(yù)防飛車事故。

4.2 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器在突發(fā)網(wǎng)壓驟降期與恢復(fù)階段持續(xù)運(yùn)作，負(fù)責(zé)直流母線電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)，確保網(wǎng)側(cè)輸入電流呈正弦曲線，滿足系統(tǒng)對功率系數(shù)的要求。為利于電網(wǎng)迅速修復(fù)，各類程度電壓下降下，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)考慮網(wǎng)路無功需要運(yùn)輸?shù)臒o功功率，同時(shí)考慮避免流入發(fā)電機(jī)有功。對于網(wǎng)壓雜亂下降情形，網(wǎng)側(cè)電壓與電流生成負(fù)序成分，機(jī)組配置2倍頻率陷波器消除負(fù)序分量。

4.3 機(jī)側(cè)變流器

同樣，機(jī)側(cè)變流器在網(wǎng)壓驟然下跌時(shí)，進(jìn)行可靠的閉鎖停機(jī)。為保持直流母線電壓穩(wěn)定性，需引導(dǎo)轉(zhuǎn)子暫態(tài)能源至直流母線，利用DBR電路內(nèi)電阻消耗暫時(shí)余留的轉(zhuǎn)子能量。對于電網(wǎng)恢復(fù)初期轉(zhuǎn)子電流強(qiáng)大的沖擊，應(yīng)按照預(yù)定斜率調(diào)整轉(zhuǎn)子電流設(shè)定，利用轉(zhuǎn)子電流、電壓控制保障風(fēng)電機(jī)組回歸正常運(yùn)行軌跡。另外為防止網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)子過載導(dǎo)致機(jī)側(cè)變流器重啟問題，運(yùn)用軟件微分法對電流指令實(shí)施優(yōu)質(zhì)篩選，在剛恢復(fù)網(wǎng)壓時(shí)刻，電流電壓可能出現(xiàn)大幅度超調(diào)和波動，所需濾波器頻率可經(jīng)由頻譜分析與計(jì)算得到。

4.4 仿真及分析

為驗(yàn)證研發(fā)的硬件架構(gòu)和LVRT控制策略的效能，運(yùn)用Matlab實(shí)施深度建模并開展仿真模擬。在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟降狀況下，定子電流有顯著增加。電機(jī)側(cè)變換器自動停運(yùn)后，轉(zhuǎn)子電流須經(jīng)由續(xù)流二極管整流橋流入直流母線，可能導(dǎo)致母線電壓攀升，當(dāng)母線電壓數(shù)值超出DBR的觸發(fā)門檻時(shí)，DBR將啟動動作，轉(zhuǎn)子電流多余電能將通過DBR回路消耗釋放。待直流母線電壓重歸常態(tài)，DBR隨即停止運(yùn)行。

5 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)關(guān)鍵

5.1 轉(zhuǎn)子保護(hù)技術(shù)

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)廣泛采用的保護(hù)技術(shù)核心在于硬件電路的設(shè)計(jì)。此技術(shù)主要通過在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)放置特殊電路器件，以及定向通過電氣通道等方式，來確保設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，在電網(wǎng)跌落等故障環(huán)境下，有電磁感應(yīng)特性的發(fā)電機(jī)能觸發(fā)連鎖反應(yīng)，立即采取制動措施確保電力設(shè)備不受損害。另外，勵磁變流器中經(jīng)過轉(zhuǎn)子的電流可起到電壓保護(hù)作用，從而使發(fā)電機(jī)組得以持續(xù)工作。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中采用該保護(hù)技術(shù)，使電動機(jī)始終處于安全狀態(tài)。在設(shè)計(jì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路時(shí)主要有兩種結(jié)構(gòu)：①基于混合橋型的Crowbar電路；②基于IGBT型的混合橋型Crowbar電路，該電路可對變頻器進(jìn)行保護(hù)。在Crowbar運(yùn)行的過程中，無論是雙饋發(fā)電機(jī)還是電網(wǎng)都能保持穩(wěn)定和安全運(yùn)作。在發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會根據(jù)接入電網(wǎng)的實(shí)際需求，自動調(diào)節(jié)電壓值，以準(zhǔn)確判定電壓級別并處理。需要注意的是，若電網(wǎng)內(nèi)電壓與設(shè)定值存在較大誤差，監(jiān)控系統(tǒng)將定位為低壓問題，并針對低壓可能引發(fā)的不良影響進(jìn)行評估，以防止設(shè)備脫離網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營。

5.2 優(yōu)化調(diào)控控制策略

（1）若電網(wǎng)未能及時(shí)有效進(jìn)行能量回收，那么應(yīng)將風(fēng)輪機(jī)參考功率設(shè)定為零，以顯著降低可能存在的安全隱患。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障發(fā)生后，應(yīng)集中關(guān)注轉(zhuǎn)子側(cè)的調(diào)控上面，以大幅提升設(shè)備整體的低電壓穿越性能。

（3）利用控制器對直流電壓和定子電壓故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，尋找問題的根源所在，確保所有的故障得以迅速解決。同時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器也需要關(guān)注有功和無功的異常變化，以便對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行觀察并進(jìn)行必要的補(bǔ)償操作。

（4）明確雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的低電壓穿越原理，結(jié)合相應(yīng)技術(shù)手段，有效控制電流的流動方向，降低負(fù)序分量帶來的影響。另外，在某些特殊環(huán)境下，還可以考慮通過加大定子等量的方式，來抵消轉(zhuǎn)子電流的變動，從而進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)備在低電壓穿越方面的能力。

排除電路假設(shè)，合理應(yīng)用科學(xué)的控制策略，是有效保障雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在低電壓穿越過程中保持平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一。

5.3 健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

對于參與電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)維的各類設(shè)備制造商和生產(chǎn)商，應(yīng)響應(yīng)并遵循相關(guān)法規(guī)，同時(shí)針對自身生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所存在的各種不足進(jìn)行持續(xù)糾正和改善。對于部分地方或城市電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)力相對強(qiáng)大的情況下，其所需滿足的低電壓穿越技術(shù)需求可適當(dāng)放寬。然而，對于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地方，有必要大幅提高低電壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定要求，確保相關(guān)設(shè)備能夠穩(wěn)定安全的投入使用。同時(shí)，從業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格遵照現(xiàn)行監(jiān)管規(guī)則，將低電壓穿越功能問題納入全面管理框架中，以推動各事項(xiàng)科學(xué)化配置。

6 結(jié)束語

為保障電網(wǎng)穩(wěn)定性以及及時(shí)處理各類故障，尤其是面對雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)這一復(fù)雜情況，必須采取特殊控制方式，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障期間風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而滿足民眾對電能不斷增長的需求。在直流母線及轉(zhuǎn)子出線路端增加了轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管，借助精密的軟件控制方法，使得風(fēng)力發(fā)電裝置具有強(qiáng)大的低電壓穿越能力。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，采用文章所提出的硬件方案和低穿控制策略，可適應(yīng)電壓瞬態(tài)下降及恢復(fù)過程中的電流需求，有效減小了轉(zhuǎn)子電流峰值，達(dá)到了預(yù)期的控制目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸仕信.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的研究[D].湖南：湘潭大學(xué)，2018.