【技術(shù)解析】 風力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)淺析

　　隨著工業(yè)化的進程加快，能源問題日趨尖銳化，世界各國都在開發(fā)新的可再生能源，利用風力發(fā)電也在全球范圍內(nèi)日趨盛行。我國的風電的裝機容量在近幾年內(nèi)也獲得了快速地增長。低電壓穿越是風里電網(wǎng)中的重要技術(shù)，我國的風力電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展對低電壓穿越技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合三種不同類型的風電機分別探討了低電壓穿越的實現(xiàn)情況。
　　1.低電壓穿越概述
　　低電壓穿越即LVRT，指在電網(wǎng)發(fā)生故障或者電壓下跌時，在一定的下跌范圍內(nèi)風機能夠保持并網(wǎng)不脫落，向電網(wǎng)提供無功功率，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間或低電壓區(qū)域。具體來說，當電壓發(fā)生故障時，風發(fā)機組在這段時間內(nèi)地控制不能引起電網(wǎng)的相位變化和功率波動。電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的這段時間，電網(wǎng)只管輸電系統(tǒng)的短路電流而忽視風電場內(nèi)部的短路電流。可以這么說，低電壓的穿越技術(shù)是決定一個風電系統(tǒng)技術(shù)高低的重要指標。
　　世界各個國家和地區(qū)根據(jù)其電網(wǎng)狀況不同，對低電壓穿越技術(shù)的指標提出的要求不同。技術(shù)指標的制定往往為各國關(guān)注的焦點，特別是發(fā)達國家將其作為經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略重點。德國的輸電系統(tǒng)運營商E.on公司在2003年提出了低電壓穿越的概念，2006年制定了并網(wǎng)標準。由于德國北部的風機密度高，對LVRT的要求如下：當電壓跌落至15%～45%時，要求風機一直提供無功支持，并能保持并網(wǎng)至少625ms。而在電壓跌落至90%以上，風機一直保持并網(wǎng)運行。我國在2009年制訂了風電場并網(wǎng)標準。當電網(wǎng)跌落低于額定電壓的1/5，風力發(fā)電機保持與電網(wǎng)相連接，并保持運行625ms，風電場并網(wǎng)點電壓跌落后，三秒鐘之內(nèi)能還原至90%的額定電壓。
　　2.不同類型風機低電壓穿越的現(xiàn)實情況
　　若想提高風電機組的低電壓穿越能力，就要增加工程造價，電壓低落時，不同類型的機組的暫態(tài)特性不同。目前市場上風電機組類型大致可分為三類：直接并網(wǎng)的定速異動電機FSIG、同步直驅(qū)式風機PMSG和雙饋異步式風機DFIG。
　　2.1定速異動電機 FSIG和雙饋異步式風機DFIG
　　FSIG和DFIG均是定子測直接連接電網(wǎng)，電壓的跌落在電機的定子端電壓上能夠直接反映出來，在電壓跌落的瞬間，定子磁因為不能隨定子端電壓變化，便出現(xiàn)直流成分，若是不對稱故障還會引發(fā)負序分量，相對于較高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)子會形成較大的轉(zhuǎn)差，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，使得轉(zhuǎn)子過電壓和過流的現(xiàn)象加重。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)邊接有AC/DC/AC變流器，如果不控制轉(zhuǎn)子電流的話，較高的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流會損壞電力電子器件或影響其使用壽命，而如果控制轉(zhuǎn)子電流，又會使變流器電壓升高從而損壞變流器。因此，實現(xiàn)DFIG的穿越比較困難。
　　2.2 同步直驅(qū)式風機PMSG
　　對于同步直驅(qū)式風力發(fā)電機，由于其定子和電網(wǎng)不是直接連接，是經(jīng)AC/DC/AC交流器與電網(wǎng)連接的。電壓跌落瞬間，輸出功率減小，而發(fā)電機的輸出功率不變，由于這種不匹配直流母線電壓將會上升，這樣會威脅到電子電器的安全。如果這時候采取控制措施，使直流母線的電壓保持不變，又會增加輸出到電網(wǎng)的電流，可能最終導致變流器的損壞。
　　3.低電壓穿越的實現(xiàn)辦法
　　3.1 FSIG的低電壓穿越實現(xiàn)
　　在低電壓的跌落瞬間，可以運用變漿控制來減小轉(zhuǎn)矩，保持轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化。由于風機的槳葉慣性非常大，因此，風機的變槳性能必須要求很高。而且異步電機在運行時需要吸收無功，所以在操作時通常是按照最大功率輸出安裝電容器組來減少無功的吸收，但是這種方法也可能引起系統(tǒng)的電壓波動，從而導致發(fā)電機械的磨損，在故障發(fā)生時還會使鄰近母線出現(xiàn)過電壓。我們采用的方法是安裝一個靜態(tài)的無功補償器以實現(xiàn)補償，這樣能使穩(wěn)態(tài)運行時的波形得到改善。還有一種方法是采用靜態(tài)同步補償器來調(diào)節(jié)電壓，這樣補償?shù)碾娏鞑粫S著電壓的下降而下降，低電壓穿越能力得到增強。
　　3.2 DFIG的低電壓穿越實現(xiàn)
　　提高雙饋異步式風力發(fā)電機的低電壓穿越能力大致的方法可以采用轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)、合理的控制策略
　　當電壓跌落瞬間，通過給發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝一個提供旁路電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)的電流提供一條通道，即crowbar電路[3]。電壓跌落時，雙饋異步式風力發(fā)電機的勵磁變流器關(guān)閉，這時，轉(zhuǎn)子側(cè)的電流從crowbar電路通過，勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組的電壓均能得到控制，發(fā)電機也能不脫網(wǎng)照常運行。另外，還可以通過改進雙饋異步式風力發(fā)電機的勵磁控制策略來實現(xiàn)低電壓的穿越。電壓跌落時，亦可限制轉(zhuǎn)子電流交流分量，通過發(fā)電機定子電阻對定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量滅磁，通過這樣的方式也可以實現(xiàn)低電壓穿越。
　　另外，還有一種方法是通過加裝能量的儲存裝置來限制直流母線過電壓。這種方法能夠持續(xù)的控制電力系統(tǒng)，但是不足之處是無法有效地控制轉(zhuǎn)子電流。
　　3.3 PMSG的低電壓穿越實現(xiàn)
　　電網(wǎng)電壓跌落時應(yīng)該注意保持輸入輸出功率平衡。可以通過減小風力機輸入功率或者增加crowbar保護電路的方法來提高低電壓穿越能力。當?shù)浒l(fā)生時，控制風力機變槳來降低風能，減小發(fā)電機定子的輸出功率；或者在直流側(cè)增加crowbar保護電路，給多余的電流一天旁路通道，并配合網(wǎng)側(cè)變流器，保持直流電壓的恒定。
　　4.結(jié)束語
　　風能發(fā)電是大勢所趨，風能電力在國家電網(wǎng)供電中呈逐年上升趨勢，因此，必須提高電網(wǎng)故障電壓跌落時，低電壓穿越能力，這不僅是衡量電網(wǎng)的最重要的技術(shù)指標，而且是保障風力發(fā)電順利發(fā)展的基礎(chǔ)。