風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)

低電壓過渡能力：Low Voltage Ride Through ，LVRT ;Fault Ride Through ，F(xiàn)RT

曾稱“低電壓穿越”。定義：小型發(fā)電系統(tǒng)在確定的時(shí)間內(nèi)承受一定限值的電網(wǎng)低電壓而不退出運(yùn)行的能力。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)

1、問題的提出

對(duì)于變頻恒速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，由于與其配套的電力電子變流設(shè)備屬于AC/DC/AC型，容易在其轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生峰值涌流，損壞變流設(shè)備，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列。在以前風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量較小的時(shí)候，為了保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁裝置，就采取與電網(wǎng)解列的方式，但目前風(fēng)力發(fā)電的容量都很大，與電網(wǎng)解列后會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)a(chǎn)生連鎖故障。于是，根據(jù)這種情況，國(guó)外的專家就提出了風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越的問題。

2、LVRT概念的解釋

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)需維持一段時(shí)間與電網(wǎng)連接而不解列，甚至要求風(fēng)電場(chǎng)在這一過程中能夠提供無(wú)功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)即低電壓穿越。

目前對(duì)于風(fēng)力發(fā)電低電壓運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，主要以德國(guó)e.on netz公司提出的為參考。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其自身機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LVRT存在以下幾方面的難點(diǎn)：

1)確保故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流與直流母線過電壓都在系統(tǒng)可承受范圍之內(nèi);

2)所采取的對(duì)策應(yīng)具備各種故障類型下的有效性;

3)控制策略須滿足對(duì)不同機(jī)組、不同參數(shù)的適應(yīng)性;

4)工程應(yīng)用中須在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下盡量少地增加成本。

3、電網(wǎng)電壓跌落后DFIG運(yùn)行的暫態(tài)過程分析(感覺這部分內(nèi)容需要理論推導(dǎo))

在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時(shí)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)殡p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)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)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對(duì)稱故障的話，會(huì)使轉(zhuǎn)子過壓與過流的現(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。過流會(huì)損壞轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器，而過壓會(huì)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。

二、低電壓穿越技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)

目前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵(lì)磁控制算法。本周我主要看了前兩種，以下分別介紹。

1、轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(crowbar電路)

這是目前一些風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路的旁路(釋能電阻)保護(hù)裝置,達(dá)到限制通過勵(lì)磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行(此時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行)。

目前比較典型的crowbar電路有如下幾種：

(1)混合橋型crowbar電路，如圖1所示，每個(gè)橋臂有控制器件和二極管串聯(lián)而成。

(2)IGBT型crowbar電路，如圖2所示，每個(gè)橋臂由兩個(gè)二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個(gè)IGBT器件和一個(gè)吸收電阻。

(3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個(gè)旁路，從而達(dá)到限制大電流，保護(hù)勵(lì)磁變流器的作用。

2、引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)裝置類似，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。 在正常運(yùn)行時(shí)，這些可控硅全部導(dǎo)通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)期間，轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網(wǎng)故障電壓大跌落所引起的的轉(zhuǎn)子側(cè)大電流沖擊，轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變流器選用電流等級(jí)較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網(wǎng)故障時(shí)不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時(shí)的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會(huì)達(dá)到電壓跌落前的幾倍。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時(shí)，為了避免電壓回升時(shí)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器重新勵(lì)磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)便能迅速地與電網(wǎng)達(dá)到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接。這樣可以減小對(duì)IGBT耐壓、耐流的要求。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級(jí)依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計(jì)crowbar電路，在直流側(cè)安裝電阻來作吸收電路，將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)。

這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性?？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關(guān)斷，這要求很大的門極負(fù)驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型IGBT的話，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話，通態(tài)損耗會(huì)很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關(guān)的話，雖通態(tài)時(shí)無(wú)損耗，但斷開動(dòng)作時(shí)間太長(zhǎng)。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行，因此對(duì)電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行起不到積極的支持作用。

通常雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的背靠背式勵(lì)磁變流器采用如圖5a所示的與電網(wǎng)并聯(lián)方式，這意味著勵(lì)磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻(xiàn)提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網(wǎng)進(jìn)行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機(jī)定子端的串聯(lián)變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子端的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網(wǎng)電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生，減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響，達(dá)到強(qiáng)化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復(fù)雜。

低電壓穿越能力是當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時(shí)，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電場(chǎng)切除會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該具有低電壓穿越能力：

a)風(fēng)電場(chǎng)必須具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms的低電壓穿越能力;

b)風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行;

c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)能力的深度對(duì)機(jī)組造價(jià)影響很大,根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行合理的LVRT能力設(shè)計(jì)很有必要。對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組LVRT原理進(jìn)行了理論分析,對(duì)多種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了比較。在電力系統(tǒng)仿真分析軟件DIgSILENT/PowerFactory中建立雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組及LVRT功能模型。以地區(qū)電網(wǎng)為例,詳細(xì)分析系統(tǒng)故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的影響,依據(jù)不同的風(fēng)電場(chǎng)接入方案計(jì)算風(fēng)電機(jī)組LVRT能力的電壓限值,對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行合理的LVRT能力設(shè)計(jì)。結(jié)果表明, 風(fēng)電機(jī)組LVRT能力的深度主要由系統(tǒng)接線和風(fēng)電場(chǎng)接入方案決定。設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組LVRT能力時(shí),機(jī)組運(yùn)行曲線的電壓限值應(yīng)根據(jù)具體接入方案進(jìn)行分析計(jì)算。

解決：需要改動(dòng)控制系統(tǒng)，變流器和變槳系統(tǒng)。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)將是20%電壓，625ms，接近awea的標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)不同的發(fā)電機(jī)類型有不同的實(shí)現(xiàn)方法，最早采用也是最普遍的方案是采用CROWBAR,有的已經(jīng)安裝在變頻器之中，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選擇低電壓穿越能力的大小，即電壓跌落深度和時(shí)間，具體要求根據(jù)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路的旁路(釋能電阻)保護(hù)裝置,達(dá)到限制通過勵(lì)磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行(此時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行)。也就是在變流器的輸出側(cè)接一旁路CRAWBAR，先經(jīng)過散熱電阻,再進(jìn)入三相整流橋,每一橋臂上為晶閘管下為一二極管，直流輸出經(jīng)銅排短接.當(dāng)?shù)碗妷喊l(fā)生后,無(wú)功電流均有加大，有功電流有短時(shí)間的震蕩，過流在散熱電阻上以熱的形式消耗,按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，能堅(jiān)持的時(shí)間要根據(jù)電壓跌落值來確定。當(dāng)然，在直流環(huán)節(jié)上也要有保護(hù)裝置.詳細(xì)就不討論.具體的討論再聯(lián)系。FRT的實(shí)物與圖片可供大家參考。但是大家所提到的FRT只是老式的,新式是在直流環(huán)節(jié)有保護(hù)裝置，但輸出側(cè)仍是無(wú)源CRAWBAR。

crowbar觸發(fā)以后，按照感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來運(yùn)行，這個(gè)只能保證發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)，而不能向電網(wǎng)提供無(wú)功，支撐電網(wǎng)電壓。現(xiàn)在LVRT能提供電網(wǎng)支撐的風(fēng)機(jī)很少，這個(gè)是LVRT最高的level。德國(guó)已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)了。最后還是得增加轉(zhuǎn)子變頻器的過流能力。

另外，控制系統(tǒng)要嵌入動(dòng)態(tài)電壓暫降補(bǔ)償器，當(dāng)有暫降時(shí)瞬時(shí)將電壓補(bǔ)償上去，先保住控制系統(tǒng)不跳。ABB號(hào)稱采用了一種ACtive CROWBAR來實(shí)現(xiàn)低壓穿越功能。

低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而 “穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。LVRT是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求。不同國(guó)家(和地區(qū))所提出的LVRT要求不盡相同。目前在一些風(fēng)力發(fā)電占主導(dǎo)地位的國(guó)家，如丹麥、德國(guó)等已經(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，定量地給出了風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時(shí)間)，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)提供無(wú)功功率。這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越(LVRT)能力，同時(shí)能方便地為電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持，但目前的雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是否能夠應(yīng)對(duì)自如，學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)論，而永磁直接驅(qū)動(dòng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實(shí)在這方面擁有出色的性能。