華澤嘉,高 聚,陶維珣,路 凱
(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國電龍源電力技術(shù)工程有限責(zé)任公司,北京 100039)
近幾年來,在國家新能源政策的扶持下,作為技術(shù)最為成熟、最具大規(guī)模開發(fā)價值的風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展,裝機容量逐年上升。截至2010年底,全國風(fēng)電裝機容量已達(dá)到4000萬千瓦,年均增長率超過100%。然而去年酒泉風(fēng)電基地風(fēng)機大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)波動異常這一事故給風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展帶來了諸多問題和思考,為此在國調(diào)中心組織的“防止風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)重點措施”的討論會上,對風(fēng)電機組和風(fēng)電場提出了諸多要求。其中最主要的就是強調(diào)風(fēng)電機組的低電壓穿越能力。一般情況下,若電網(wǎng)發(fā)生故障,其導(dǎo)致的電壓跌落會給風(fēng)電機組帶來一系列危害機組本身及其控制系統(tǒng)正常運行的暫態(tài)過程:如過電壓、過電流、風(fēng)機轉(zhuǎn)速上升等,此時風(fēng)電機組就會實施被動式的自我保護(hù)而立即自行解列,這在風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率較低時是可以被電網(wǎng)所接受的。但是當(dāng)風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率較高時,如果電網(wǎng)發(fā)生故障,風(fēng)電機組自行解列,不但會增加電網(wǎng)恢復(fù)難度,甚至?xí)觿‰娋W(wǎng)故障,從而導(dǎo)致系統(tǒng)其他機組解列。為此電網(wǎng)要求風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)具有在電力系統(tǒng)有較大波動時保持不脫網(wǎng)運行,并向電網(wǎng)提供無功功率支持電網(wǎng)恢復(fù)的能力,這就是風(fēng)電機組的低電壓穿越特性(LVRT-low voltage ride through)。目前我國各風(fēng)電機組生產(chǎn)廠家的風(fēng)機LVRT特性普遍是按照德國E-on標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的,即[1]:風(fēng)場必須具有在并網(wǎng)電壓跌落20%額定電壓時能夠堅持并網(wǎng)運行625 ms;風(fēng)電場發(fā)生電壓跌落3 s后能夠恢復(fù)到90%額定電壓時,必須保持并網(wǎng)運。見圖1所示。
圖1 風(fēng)電場LVRT標(biāo)準(zhǔn)
雙饋異步風(fēng)機和直驅(qū)永磁風(fēng)機是目前各風(fēng)電場安裝的兩種主流機型,二者都通過采用不同的措施來實現(xiàn)LVRT功能。本文將詳細(xì)分析北方某風(fēng)電場安裝的上述兩種機型的低電壓穿越能力,利用PSASP仿真分析軟件建立二者的低電壓穿越模型,并根據(jù)仿真結(jié)果給出兩種機型實際工作中的低電壓穿越能力的最低電壓限制。
本風(fēng)場所安裝的DFIG依靠以下三個部件來實現(xiàn)LVRT功能:變流器、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)。作用原理如下:
DFIG在電網(wǎng)發(fā)生故障時,往往是因為轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器為防止暫態(tài)過電流(通常為額定電流的2~3倍)對其的損害而退出運行[2],從而無法控制勵磁電流導(dǎo)致失去對電磁轉(zhuǎn)矩的控制,使風(fēng)機轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)急劇增加,當(dāng)達(dá)到一定限值時風(fēng)機就會實施自我保護(hù)退出運行。本風(fēng)場安裝的DFIG的變流器具有撬棒支路(有源Crow-bar模塊),用來當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過限定值時,旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,阻尼轉(zhuǎn)子磁鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈衰減后撬棒支路便可退出,變流器工作,控制能力恢復(fù)。但在撬棒支路啟動時,會使風(fēng)場在短時間內(nèi)失去控制。在撬棒支路工作的同時,變槳系統(tǒng)啟用,降低風(fēng)機捕風(fēng)能力,重新建立機端電壓。主控系統(tǒng)采用在線不間斷電源,能在短時間內(nèi)為PLC及相應(yīng)控制回路供電。并網(wǎng)模型如圖2所示。
圖2 DFIG并網(wǎng)模型
(2)雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的建模
坐標(biāo)系采用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,d軸超前q軸,派克變換采用恒功率變換:
雙饋感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子運動方程:
相比DFIG而言,雖然PMSG與電網(wǎng)之間通過背靠背全功率變流器實現(xiàn)完全隔離,但是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,網(wǎng)側(cè)變流器會出現(xiàn)過電流,當(dāng)對變流器采取限流措施后,由于直流側(cè)輸入功率大于輸出功率,且變流器熱容量有限,會使直流側(cè)電壓升高,損壞變流器[3-5]。為此,本風(fēng)場安裝的PMSG在變流器結(jié)構(gòu)中配備了基于PWM技術(shù)的制動單元,吸收直流側(cè)輸入大于輸出的那部分功率,并以熱能的形式散發(fā)出去。從而避免了變流器由于直流過電壓造成的損壞,增強了系統(tǒng)的LVRT能力。在輸出側(cè)還配置了LC濾波裝置,減少了輸出諧波,提高了系統(tǒng)容量。并網(wǎng)模型如圖3所示。
圖3 PMSG并網(wǎng)模型
(1)直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)的建模
PMSG數(shù)學(xué)模型采用dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,q軸定向與發(fā)電機感應(yīng)電動勢空間矢量,并假定發(fā)電機dq軸電感相等。
發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te為:
發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te和機械轉(zhuǎn)矩Tm一起決定了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ωg:
在風(fēng)電場外部系統(tǒng)故障中以三相短路故障時的電壓跌落最為嚴(yán)重,所以本文對風(fēng)電場滿發(fā)時的系統(tǒng)外部三相短路故障時的機端電壓降低值進(jìn)行仿真。以北方某風(fēng)電場中安裝的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(DFIG)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(PMSG)兩種機型為實例,利用電力系統(tǒng)仿真分析軟件PSASP對兩種機型的低電壓穿越能力進(jìn)行仿真。
圖4 為風(fēng)電場所在區(qū)域的局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。
當(dāng)雙遼母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組機端電壓下降到接近于零,這個故障是最嚴(yán)重的故障,即風(fēng)電場出口發(fā)生三相短路故障,一般極少發(fā)生。當(dāng)西郊母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.2 pu,當(dāng)三家子母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.4 pu,當(dāng)長春母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.55 pu,離風(fēng)電場最遠(yuǎn)的母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.85 pu。由此可見該雙饋異步風(fēng)機LVRT的最低電壓限值應(yīng)為0.2 pu。該風(fēng)電機組的LVRT特性見圖5。
圖5 DFIG低電壓穿越特性圖
當(dāng)雙遼母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組機端電壓依然下降到接近于零,當(dāng)西郊母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.4 pu,當(dāng)三家子母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.6 pu,當(dāng)長春母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.7 pu,離風(fēng)電場最遠(yuǎn)的母線發(fā)生三相短路故障時,風(fēng)電機組的機端電壓下降到0.85 pu。由此可見該直驅(qū)永磁同步風(fēng)機LVRT最低電壓限值應(yīng)為0.4 pu,高于本風(fēng)場安裝的雙饋異步風(fēng)機最低電壓限制0.2 pu,同時,直驅(qū)永磁風(fēng)電機組的低電壓穿越能力高于雙饋異步風(fēng)電機組。該風(fēng)電機組LVRT特性見圖6。
圖6 PMSG低電壓穿越特性圖
從仿真數(shù)據(jù)可以看出,添加制動單元的PMSG的LVRT特性與采用撬棒支路的DFIG的LVRT特性相比,在最低電壓限值方面,PMSG的0.4 pu高于DFIG的0.2 pu,在持續(xù)穩(wěn)定性方面,PMSG在電網(wǎng)電壓跌落至15%時能堅持并網(wǎng)225 ms,風(fēng)電場發(fā)生電壓跌落3 s后,能夠保持并網(wǎng)并恢復(fù)到85%額定電壓。DFIG在電網(wǎng)電壓跌落至15%時能堅持并網(wǎng)180 ms,風(fēng)電場發(fā)生電壓跌落3 s后,能夠保持并網(wǎng)并恢復(fù)到75%額定電壓。由此可見,本風(fēng)電場安裝的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越特性優(yōu)于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越特性。
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