風力發(fā)電機的低電壓穿越技術

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 低電壓過渡能力：LowVoltageRideThrough，LVRT;FaultRideThrough，F(xiàn)RT
　   曾稱“低電壓穿越”。定義：小型發(fā)電系統(tǒng)在確定的時間內承受一定限值的電網低電壓而不退出運行的能力。
　   一、風力發(fā)電機低電壓穿越技術
　   1、問題的提出
　   對于變頻恒速雙饋風力發(fā)電機，在電網電壓跌落的情況下，由于與其配套的電力電子變流設備屬于AC/DC/AC型，容易在其轉子側產生峰值涌流，損壞變流設備，導致風力發(fā)電機組與電網解列。在以前風力發(fā)電機容量較小的時候，為了保護轉子側的勵磁裝置，就采取與電網解列的方式，但目前風力發(fā)電的容量都很大，與電網解列后會影響整個電網的穩(wěn)定性，甚至會產生連鎖故障。于是，根據這種情況，國外的專家就提出了風力發(fā)電低電壓穿越的問題。
　   2、LVRT概念的解釋
　   當電網發(fā)生故障時，風電場需維持一段時間與電網連接而不解列，甚至要求風電場在這一過程中能夠提供無功以支持電網電壓的恢復即低電壓穿越。
　   目前對于風力發(fā)電低電壓運行標準，主要以德國e.onnetz公司提出的為參考。
　   雙饋風力發(fā)電機由于其自身機構特點，實現(xiàn)LVRT存在以下幾方面的難點：
　   1)確保故障期間轉子側沖擊電流與直流母線過電壓都在系統(tǒng)可承受范圍之內;
　   2)所采取的對策應具備各種故障類型下的有效性;
　   3)控制策略須滿足對不同機組、不同參數(shù)的適應性;
 　  4)工程應用中須在實現(xiàn)目標的前提下盡量少地增加成本。
　   3、電網電壓跌落后DFIG運行的暫態(tài)過程分析(感覺這部分內容需要理論推導)
　   在電網電壓跌落情況下，風電機組中的雙饋感應發(fā)電機會導致轉子側過流，同時轉子側電流的迅速增加會導致轉子勵磁變流器直流側電壓升高，發(fā)電機勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產生振蕩。這是因為雙饋感應發(fā)電機在電網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，從而會產生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉子繼續(xù)旋轉，會產生較大的滑差，這樣便會引起轉子繞組的過壓、過流。如果電網出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉子過壓與過流的現(xiàn)象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產生很高的滑差。過流會損壞轉子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機的轉子繞組絕緣擊穿。
　   二、低電壓穿越技術的具體實現(xiàn)
　   目前的低電壓穿越技術一般有三種方案：一種是采用了轉子短路保護技術，二種是引入新型拓撲結構，三是采用合理的勵磁控制算法。本周我主要看了前兩種，以下分別介紹。
　   1、轉子短路保護技術(crowbar電路)
　   這是目前一些風電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時投入轉子回路的旁路(釋能電阻)保護裝置,達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網運行(此時雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行)。
　   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，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。
　   (3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現(xiàn)電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連接到轉子回路中，這就為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。
　   2、引入新型拓撲結構
　   如圖4所示，這種結構與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應發(fā)電機定子側與電網間串聯(lián)反并可控硅電路。在正常運行時，這些可控硅全部導通，在電網電壓跌落與恢復期間，轉子側可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網故障電壓大跌落所引起的的轉子側大電流沖擊，轉子側勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網故障時不與轉子繞組斷開時的安全。電網電壓跌落再恢復時，轉子側最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉子側所產生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發(fā)電機通過反并可控硅電路與電網脫網。脫網以后，轉子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應發(fā)電機，電壓一旦回升到允許的范圍之內，雙饋感應發(fā)電機便能迅速地與電網達到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網連接。這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求。對于短時間內能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應發(fā)電機的脫網運行時間。轉子側大功率饋入直流側會導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴于直流側電容的大小，因此直流側設計crowbar電路，在直流側安裝電阻來作吸收電路，將直流側電壓限制在允許范圍內。
　   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斷，這要求很大的門極負驅動電流，驅動電路太復雜。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)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機脫網運行，因此對電網恢復正常運行起不到積極的支持作用。
　   通常雙饋感應發(fā)電機的背靠背式勵磁變流器采用如圖5a所示的與電網并聯(lián)方式，這意味著勵磁變流器能向電網注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網進行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機定子端的串聯(lián)變壓器實現(xiàn)與電網串聯(lián)連接，則雙饋感應發(fā)電機定子端的電壓為網側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電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉子側大電流的產生，減小系統(tǒng)受電網擾動的影響，達到強化電網的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復雜。
　   這是目前一些風電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時投入轉子回路的旁路(釋能電阻)保護裝置,達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網運行(此時雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行)。
　   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，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。
　   (3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現(xiàn)電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連接到轉子回路中，這就為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。
　   2、引入新型拓撲結構
　   如圖4所示，這種結構與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應發(fā)電機定子側與電網間串聯(lián)反并可控硅電路。在正常運行時，這些可控硅全部導通，在電網電壓跌落與恢復期間，轉子側可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網故障電壓大跌落所引起的的轉子側大電流沖擊，轉子側勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網故障時不與轉子繞組斷開時的安全。電網電壓跌落再恢復時，轉子側最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉子側所產生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發(fā)電機通過反并可控硅電路與電網脫網。脫網以后，轉子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應發(fā)電機，電壓一旦回升到允許的范圍之內，雙饋感應發(fā)電機便能迅速地與電網達到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網連接。這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求。對于短時間內能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應發(fā)電機的脫網運行時間。轉子側大功率饋入直流側會導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴于直流側電容的大小，因此直流側設計crowbar電路，在直流側安裝電阻來作吸收電路，將直流側電壓限制在允許范圍內。
　   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斷，這要求很大的門極負驅動電流，驅動電路太復雜。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)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機脫網運行，因此對電網恢復正常運行起不到積極的支持作用。
　   通常雙饋感應發(fā)電機的背靠背式勵磁變流器采用如圖5a所示的與電網并聯(lián)方式，這意味著勵磁變流器能向電網注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網進行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機定子端的串聯(lián)變壓器實現(xiàn)與電網串聯(lián)連接，則雙饋感應發(fā)電機定子端的電壓為網側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電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉子側大電流的產生，減小系統(tǒng)受電網擾動的影響，達到強化電網的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復雜。
　   另外，控制系統(tǒng)要嵌入動態(tài)電壓暫降補償器，當有暫降時瞬時將電壓補償上去，先保住控制系統(tǒng)不跳。ABB號稱采用了一種ACtiveCROWBAR來實現(xiàn)低壓穿越功能。
　   低電壓穿越(LVRT)，指在風力發(fā)電機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。LVRT是對并網風機在電網出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網的一種特定的運行功能要求。不同國家(和地區(qū))所提出的LVRT要求不盡相同。目前在一些風力發(fā)電占主導地位的國家，如丹麥、德國等已經相繼制定了新的電網運行準則，定量地給出了風電系統(tǒng)離網的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間)，只有當電網電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力發(fā)電機脫網，當電壓在凹陷部分時，發(fā)電機應提供無功功率。這就要求風力發(fā)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力，同時能方便地為電網提供無功功率支持，但目前的雙饋型風力發(fā)電技術是否能夠應對自如，學術界尚有爭論，而永磁直接驅動型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已被證實在這方面擁有出色的性能。