直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術

摘要：為提高直驅(qū)式變速恒頻風電系統(tǒng)的故障穿越能力，采用直流側(cè)過壓保護Crowbar電路，使電網(wǎng)電壓跌落時風機能夠正常運行，故障消除后系統(tǒng)能快速恢復至額定輸出。在電壓跌落期間，控制網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功功率，即運行STATCOM模式，快速向電網(wǎng)提供無功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，幫助電網(wǎng)電壓快速恢復。據(jù)此提出基于Crowbar卸荷電路和STATCOM運行策略的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越(LVRT)方案，并進行了實驗驗證。
關鍵詞：風力發(fā)電；低電壓穿越；保護電路

1 引言
隨著風力發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的增加，電網(wǎng)對風力發(fā)電系統(tǒng)提出了新的要求，即LVRT能力。由于直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)無需高速齒輪組，其運行效率高，對電網(wǎng)沖擊小，因此引起了國內(nèi)外的廣泛關注。尤其是發(fā)電機通過全功率整流器與電網(wǎng)隔離，故應對電網(wǎng)故障的能力更強，與DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)相比，更容易實現(xiàn)LVRT。

2 原理與設計
直驅(qū)系統(tǒng)在電壓跌落期間實現(xiàn)其故障穿越，可通過以下兩方面完成：①在直流側(cè)增加Crowbar電路，即直流電壓斬波電路。電壓跌落期間，變流器的輸出電流會迅速增大，當增加到變流器的限流閾值時，其功率輸出達到極限，此時輸出功率將小于輸入功率，直流母線電壓將會升高。該方法可匹配變流器無法輸出的那部分功率，從而維持功率守恒，限制直流母線電壓的增加；②在電壓跌落期間，控制網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功功率即運行STATCOM模式，快速向電網(wǎng)提供無功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，幫助電網(wǎng)電壓快速恢復。
典型的直流電壓Crowbar電路如圖1所示。該電路實現(xiàn)電阻變換模塊的原理是：在保持直流電壓恒定的條件下，調(diào)節(jié)開關的占空比，實現(xiàn)不同的功率輸出，等效于直流側(cè)的一個可變電阻。

控制網(wǎng)側(cè)變流器運行STATCOM模式的核心問題是在變流器功率等級一定的條件下如何分配有、無功的電流指令。變流器輸出功率不僅受網(wǎng)側(cè)電壓的限制，而且受變流器輸出最大電流Ismax的限制。設，id，iq分別為有、無功電流。無功指令可根據(jù)電壓跌落的程度向電網(wǎng)輸出不同的無功功率，跌落越嚴重，變流器提供的無功越大，從而幫助電網(wǎng)快速恢復。圖2提供了一種帶有Crowbar保護的STATCOM運行控制算法。