風力發(fā)電機低電壓穿越技術(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)在確定的時間內(nèi)承受一定限值的電網(wǎng)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(shù)

1、問題的提出

對于變頻恒速雙饋風力發(fā)電機，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，導致風力發(fā)電機組與電網(wǎng)解列。在以前風力發(fā)電機容量較小的時候，為了保護轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁裝置，就采取與電網(wǎng)解列的方式，但目前風力發(fā)電的容量都很大，與電網(wǎng)解列后會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至會產(chǎn)生連鎖故障。于是，根據(jù)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(wǎng)發(fā)生故障時，風電場需維持一段時間與電網(wǎng)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(wǎng)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.on netz公司提出的為參考。

雙饋風力發(fā)電機由于其自身機構(gòu)特點，實現(xiàn)LVRT存在以下幾方面的難點：

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(wǎng)電壓跌落后DFIG運行的暫態(tài)過程分析(感覺這部分內(nèi)容需要理論推導)

在電網(wǎng)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(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)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(chǎn)生振蕩。這是因為雙饋感應發(fā)電機在電網(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)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉(zhuǎn)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(chǎn)生很高的滑差。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。

二、低電壓穿越技術(shù)的具體實現(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)子短路保護技術(shù)，二種是引入新型拓撲結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)子短路保護技術(shù)(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(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)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(cè)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(wǎng)電壓跌落時，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(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應發(fā)電機定子側(cè)與電網(wǎng)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(wǎng)電壓跌落與恢復期間，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(wǎng)故障時不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復時，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網(wǎng)電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發(fā)電機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(nèi)，雙饋感應發(fā)電機便能迅速地與電網(wǎng)達到同步。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IGBT耐壓、耐流的要求。對于短時間內(nèi)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(wǎng)運行時間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會導致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計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驅(qū)動電流，驅(qū)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(guān)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(wǎng)運行，因此對電網(wǎng)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(wǎng)并聯(lián)方式，這意味著勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻提到了一種新的連接方式如圖5b，即將變流器與電網(wǎng)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(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應發(fā)電機定子端的電壓為網(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)擾動的影響，達到強化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復雜。

低電壓穿越能力是當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行。

風電機組應該具有低電壓穿越能力：

a)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越能力;

b)風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行;

c)風電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網(wǎng)運行。

風電機組低電壓穿越(LVRT)能力的深度對機組造價影響很大,根據(jù)實際系統(tǒng)對風電機組進行合理的LVRT能力設(shè)計很有必要。對變速風電機組LVRT原理進行了理論分析,對多種實現(xiàn)方案進行了比較。在電力系統(tǒng)仿真分析軟件DIgSILENT/PowerFactory中建立雙饋變速風電機組及LVRT功能模型。以地區(qū)電網(wǎng)為例,詳細分析系統(tǒng)故障對風電機組機端電壓的影響,依據(jù)不同的風電場接入方案計算風電機組LVRT能力的電壓限值,對風電機組進行合理的LVRT能力設(shè)計。結(jié)果表明, 風電機組LVRT能力的深度主要由系統(tǒng)接線和風電場接入方案決定。設(shè)計風電機組LVRT能力時,機組運行曲線的電壓限值應根據(jù)具體接入方案進行分析計算。

解決：需要改動控制系統(tǒng)，變流器和變槳系統(tǒng)。我國的標準將是20%電壓，625ms，接近awea的標準。

針對不同的發(fā)電機類型有不同的實現(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間，具體要求根據(jù)電網(wǎng)標準要求。

風電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行(此時雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行)。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?shù)碗妷喊l(fā)生后,無功電流均有加大，有功電流有短時間的震蕩，過流在散熱電阻上以熱的形式消耗,按照不同的標準，能堅持的時間要根據(jù)電壓跌落值來確定。當然，在直流環(huán)節(jié)上也要有保護裝置.詳細就不討論.具體的討論再聯(lián)系。FRT的實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)有保護裝置，但輸出側(cè)仍是無源CRAWBAR。

crowbar觸發(fā)以后，按照感應電動機來運行，這個只能保證發(fā)電機不脫網(wǎng)，而不能向電網(wǎng)提供無功，支撐電網(wǎng)電壓?，F(xiàn)在LVRT能提供電網(wǎng)支撐的風機很少，這個是LVRT最高的level。德國已經(jīng)制定標準了。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ACtive CROWBAR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(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而 “穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。LVRT是對并網(wǎng)風機在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)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(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運行準則，定量地給出了風電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間)，只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力發(fā)電機脫網(wǎng)，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(wǎng)提供無功功率支持，但目前的雙饋型風力發(fā)電技術(shù)是否能夠應對自如，學術(shù)界尚有爭論，而永磁直接驅(qū)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。