風力發電低電壓穿越技術

　　Abstract: In recent years, the p ropo rt ion of the w ind pow er in the grid is increasing rap idly. When the grids faults results in vo ltage decline, the w idesp read t ripp ing of w ind generato rs could lead to t ransient instabilities and local o r overall blackouts. So it is concerned that thew ind turbinesmerge into the grid, and the request of the low vo ltage ride th rough (LVRT ) ability is p ropo sed. Th is paper analysises the t ransient responses of three w idely used w ind turbine, including fixed speed induct ion generato r (FS IG) , permanent magnetic synch ronous generato r (PM SG) and doubly2fed induct ion generato r (DF IG) , and summarizes the LVRT methods adop ted home and abroad. The LVRT methods of DF IG are mainly discussed, w h ich is must difficalt.

　　當今世界風電市場發展迅猛, 風電場裝機容量逐年上升, 尤其是在歐美的一些發達國家, 風力發電所占電網供電比例已經非常高, 如丹麥已超過20%。因此, 必須考慮電網故障時風機的各種運行狀態對電網穩定性的影響[ 1, 2 ]。為此各國電網公司依據自身實際對風電場ö風電機組并網提出了嚴格的技術要求。包括低電壓穿越能力、無功控制能力、有功功率變化率控制和頻率控制等。其中LVRT 被認為是風電機組設計制造控制技術上的最大挑戰, 直接關系到風機的大規模應用。

　　低電壓穿越LVRT , 指在風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(區域)。

　　電壓跌落會給電機帶來一系列暫態過程, 如出現過電壓、過電流或轉速上升等, 嚴重危害風機本身及其控制系統的安全運行。一般情況下若電網出現故障風機就實施被動式自我保護而立即解列, 并不考慮故障的持續時間和嚴重程度, 這樣能最大限度保障風機的安全, 在風力發電的電網穿透率(即風力發電占電網的比重) 較低時是可以接受的。然而, 當風電在電網中占有較大比重時, 若風機在電壓跌落時仍采取被動保護式解列, 則會增加整個系統的恢復難度, 甚至可能加劇故障, 最終導致系統其它機組全部解列, 因此必須采取有效的LVRT措施, 以維護風場電網的穩定。

　　目前市場上風機類型可概括為三類, 即直接并網的定速異步機FS IG (f ixed speed induct iongenerato r)、同步直驅式風機PM SG (permanent magnet ic synch ronou s genera to r) 和雙饋異步式風機DF IG (doub ly2fed induct ion generato r)。本文就這三種風機類型分析電網電壓跌落引起的暫態過程, 綜述了目前一些主要的LVRT 實現方案, 并重點討論了DF IG 的LVRT 方案。

　　1　LVRT 功能簡介

　　LVRT 是對并網風機在電網出現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) 所提出的LVRT 要求不盡相同[ 3, 4 ]。在德國北部, 風機密度很高, 電網經營商E. ON N etz 對風電場ö風力機組的LVRT 要求如圖1 所示。

圖1　德國E. ON Netz 公司的LVRT 要求 Fig. 1　LVRT requiremen ts of E. ON Netz

　　僅當電網電壓在時間或數值上處于圖示曲線下方時, 風機才允許解列; 而在曲線以上區域, 風機應保持并網, 等待電網恢復。且當電壓位于圖中陰影區域時, 還要求風機向電網提供無功功率支撐,幫助電網恢復。
　　在圖中可以看到, 當電壓跌落到15% ～ 45%時, 要求風機一直提供無功支持, 并應能保持并網至少625 m s。而在電壓跌落到90% 以上時風機應一直保持并網運行。
　　2　電壓跌落對不同風機的影響  
　　研究LVRT 的前提是分析風機在電網電壓出現跌落與恢復時的一些暫態過程。不同風機類型的暫態和導致的影響不盡相同。
　　圖2 所示為目前市場上廣泛使用的三種主要的風機拓撲: FS IG; 定子經變流器并網的PM SG;DF IG。

圖2　三種主要的風機類型 Fig. 2　Three ma in types of the wind turbines

　　2. 1　FSIG 和DFIG 的暫態現象
　　FS IG 和DF IG 都是定子側直接聯接電網。這種直接耦合使得電網電壓的降落直接反映在電機定子端電壓上, 導致定子磁鏈出現直流成分, 不對稱故障時還會出現負序分量。定子磁鏈的直流量和負序分量相對于以較高轉速運轉的電機轉子會形成較大的轉差(轉差頻率分別在ωs和2ωs 附近,ωs 為同步角頻率) , 從而感生出較大的轉子電勢并產生較大的轉子電流, 導致轉子電路中電壓和電流大幅增加[5, 6]。