风力发电低电压穿越技术

　　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.

　　当今世界风电市场发展迅猛, 风电场装机容量逐年上升, 尤其是在欧美的一些发达国家, 风力发电所占电网供电比例已经非常高, 如丹麦已超过20%。因此, 必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响[ 1, 2 ]。为此各国电网公司依据自身实际对风电场ö风电机组并网提出了严格的技术要求。包括低电压穿越能力、无功控制能力、有功功率变化率控制和频率控制等。其中LVRT 被认为是风电机组设计制造控制技术上的最大挑战, 直接关系到风机的大规模应用。

　　低电压穿越LVRT , 指在风机并网点电压跌落的时候, 风机能够保持并网, 甚至向电网提供一定的无功功率, 支持电网恢复, 直到电网恢复正常, 从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

　　电压跌落会给电机带来一系列暂态过程, 如出现过电压、过电流或转速上升等, 严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列, 并不考虑故障的持续时间和严重程度, 这样能最大限度保障风机的安全, 在风力发电的电网穿透率(即风力发电占电网的比重) 较低时是可以接受的。然而, 当风电在电网中占有较大比重时, 若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列, 则会增加整个系统的恢复难度, 甚至可能加剧故障, 最终导致系统其它机组全部解列, 因此必须采取有效的LVRT措施, 以维护风场电网的稳定。

　　目前市场上风机类型可概括为三类, 即直接并网的定速异步机FS IG (f ixed speed induct iongenerato r)、同步直驱式风机PM SG (permanent magnet ic synch ronou s genera to r) 和双馈异步式风机DF IG (doub ly2fed induct ion generato r)。本文就这三种风机类型分析电网电压跌落引起的暂态过程, 综述了目前一些主要的LVRT 实现方案, 并重点讨论了DF IG 的LVRT 方案。

　　1　LVRT 功能简介

　　LVRT 是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家(和地区) 所提出的LVRT 要求不尽相同[ 3, 4 ]。在德国北部, 风机密度很高, 电网经营商E. ON N etz 对风电场ö风力机组的LVRT 要求如图1 所示。

图1　德国E. ON Netz 公司的LVRT 要求 Fig. 1　LVRT requiremen ts of E. ON Netz

　　仅当电网电压在时间或数值上处于图示曲线下方时, 风机才允许解列; 而在曲线以上区域, 风机应保持并网, 等待电网恢复。且当电压位于图中阴影区域时, 还要求风机向电网提供无功功率支撑,帮助电网恢复。
　　在图中可以看到, 当电压跌落到15% ～ 45%时, 要求风机一直提供无功支持, 并应能保持并网至少625 m s。而在电压跌落到90% 以上时风机应一直保持并网运行。
　　2　电压跌落对不同风机的影响  
　　研究LVRT 的前提是分析风机在电网电压出现跌落与恢复时的一些暂态过程。不同风机类型的暂态和导致的影响不尽相同。
　　图2 所示为目前市场上广泛使用的三种主要的风机拓扑: FS IG; 定子经变流器并网的PM SG;DF IG。

图2　三种主要的风机类型 Fig. 2　Three ma in types of the wind turbines

　　2. 1　FSIG 和DFIG 的暂态现象
　　FS IG 和DF IG 都是定子侧直接联接电网。这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上, 导致定子磁链出现直流成分, 不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差(转差频率分别在ωs和2ωs 附近,ωs 为同步角频率) , 从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流, 导致转子电路中电压和电流大幅增加[5, 6]。