曾 輝，朱 鈺，劉勁松

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

能源需求和發(fā)展低碳技術(shù)促進(jìn)了中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)蓬勃發(fā)展。到2020年中國風(fēng)電裝機(jī)總量將達(dá)到230 GW，年風(fēng)電輸出總量將達(dá)到464.9 TWh［1］。中國領(lǐng)跑世界風(fēng)電裝機(jī)總量也帶來了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越問題。2011年2月，經(jīng)歷了一系列風(fēng)電場(chǎng)斷電事故后，中國電監(jiān)會(huì) (SERC)于2011年11月決定制定新型風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，要求風(fēng)機(jī)具備在電網(wǎng)電壓跌落期間保持持續(xù)運(yùn)行的能力，即低電壓穿越能力，同時(shí)要求新建風(fēng)場(chǎng)只采用具有低電壓穿越能力的風(fēng)機(jī)［2］。

通過使用仿真軟件研究風(fēng)電機(jī)組LVRT的控制理論，如Lima等人提出一種新型DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制策略，并通過PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行驗(yàn)證［3］;Trilla等人開發(fā)出一種3 MW DFIG模型，并通過 Matlab/Simulink中的 Bogacki－Shampine Solver分別在平衡和不平衡電壓跌落情況下驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)的控制策略［4］;此外，Mansour等人調(diào)查了轉(zhuǎn)子電流和DC－link電壓中存在的暫態(tài)和波動(dòng)情況，并在Matlab/Simulink軟件中對(duì)其進(jìn)行研究［5］。

本文論述第一次在東北地區(qū)7家風(fēng)電場(chǎng)上驗(yàn)證不同種類風(fēng)電機(jī)組的控制策略。首先，討論了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) (DFIG風(fēng)機(jī))的基本原理及其LVRT控制策略;其次，展示了對(duì)于單臺(tái)風(fēng)機(jī)的LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程與結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)的多種控制策略進(jìn)行驗(yàn)證;最后，探討并對(duì)比了不同無功功率補(bǔ)償方法。

1 DFIG風(fēng)機(jī)的原理及其控制策略

DFIG風(fēng)機(jī)與永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī) (PMSG)都在中國風(fēng)電場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用。在DFIG風(fēng)機(jī)中，僅有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)出的功率 (額定功率的25%～30%)饋入到電力電子變頻器中。所以，相比裝備全功率變頻器的PMSG，DFIG風(fēng)機(jī)擁有更低的功率變頻器且成本較低［5－7］。

在電網(wǎng)故障情況下，Crowbar(撬棍)是一種可以通過釋放轉(zhuǎn)子側(cè)的能量減小轉(zhuǎn)子中的過電流和過電壓的電阻［8］。被動(dòng)Crowbar運(yùn)用二極管整流電路或非平行晶閘管通過短路轉(zhuǎn)子端。將被動(dòng)Crow-bar中的二極管用半導(dǎo)體開關(guān)IGBT器件替換，就可以轉(zhuǎn)換為主動(dòng) Crowbar結(jié)構(gòu)［9］。不同于Crowbar的原理，直流斬波器由開關(guān)和電阻組成，并與DC－link電容器平行連接到直流側(cè)［10］。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

低電壓穿越LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是通過使用一種小型電網(wǎng)故障模擬器進(jìn)行的。這種模擬器方便運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)電場(chǎng)，是一種集成、緊湊的LVRT測(cè)試解決方案。

圖1為電網(wǎng)故障模擬器的現(xiàn)場(chǎng)外部視圖。圖2為電網(wǎng)故障模擬器內(nèi)部的控制單元。

這種電網(wǎng)故障模擬器擁有1 770多種配置，可以模擬出3相平衡、2相或1相不平衡的電網(wǎng)電壓跌落情況。電壓跌落深度和時(shí)間由電腦自動(dòng)配置?？刂剖覂?nèi)的開關(guān)單元通過Ethernet與電網(wǎng)故障模擬器相連。

3相平衡、2相或1相不平衡的電壓跌落運(yùn)行范圍為0～100%。這些電壓跌落可以通過星角變壓器連接在風(fēng)機(jī)的690 V低壓側(cè)。圖3為擁有Crowbar的DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電壓跌落發(fā)生器連接的位置。圖4為LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的照片，可見風(fēng)機(jī)、電網(wǎng)故障模擬器與控制室的具體位置。

2011年，在東北地區(qū)7個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)至少6種DFIG與PMSG風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行了低電壓穿越測(cè)試。這些風(fēng)機(jī)具有不同類型的Crowbar保護(hù)結(jié)構(gòu)，所以具有不同的控制策略。A、B和C都是DFIG風(fēng)機(jī)，A風(fēng)機(jī)運(yùn)用斬波器作為主要的Crowbar部件，B和C風(fēng)機(jī)分別運(yùn)用主動(dòng)和被動(dòng)Crowbar保護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 主動(dòng)Crowbar、被動(dòng)Crowbar和斬波器對(duì)DFIG的LVRT過程影響

為了研究不同Crowbar保護(hù)類型對(duì)LVRT過程的影響，測(cè)試的A(斬波器結(jié)構(gòu))、B(主動(dòng)Crowbar結(jié)構(gòu))和C(被動(dòng)Crowbar結(jié)構(gòu))風(fēng)機(jī)的波形如圖5(a)、(b)、(c)所示。A、B和C風(fēng)機(jī)都是在相同的三相50%電壓跌落深度，大負(fù)荷 (P＞0.9Pn)電網(wǎng)故障情況下進(jìn)行的。圖5從上至下分別為機(jī)端線電壓、機(jī)端相電流和有功功率及無功功率波形。

對(duì)比裝備Crowbar的B、C風(fēng)機(jī)，裝備變頻器與斬波器組合的A風(fēng)機(jī)得到的電壓、電流和功率波形更為平滑。因此，直流斬波器具有平順DC－link電壓的功能和減小轉(zhuǎn)子線路中過電流、過電壓的功能得到驗(yàn)證。

表1總結(jié)了A、B和C風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，可知B風(fēng)機(jī) (裝備主動(dòng)Crowbar)跌落時(shí)間比C風(fēng)機(jī)(裝備被動(dòng)Crowbar)長10 ms。相對(duì)波動(dòng)Crowbar，主動(dòng)Crowbar幫助風(fēng)機(jī)延長了穿越時(shí)間。

表1 A、B和C風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

圖5 A、B、C風(fēng)機(jī)的電壓、電流和功率波形

此外，主動(dòng)Crowbar的IGBT在電壓跌落期間產(chǎn)生了無功功率。經(jīng)計(jì)算，跌落期間B風(fēng)機(jī)產(chǎn)生了0.38 p.u.的無功功率，遠(yuǎn)大于C風(fēng)機(jī)的無功功率 (0.18 p.u.)，證明主動(dòng)Crowbar有效提高了風(fēng)機(jī)的可控性、穩(wěn)定性和應(yīng)對(duì)電壓突然跌落的反應(yīng)能力［10］。另外，B、C 2種風(fēng)機(jī)電流和有功功率的恢復(fù)時(shí)間也不同。圖5(b)中電流與有功功率的恢復(fù)時(shí)間約為2 s，圖5(c)中恢復(fù)時(shí)間則最少用了4 s，所以主動(dòng)Crowbar能更快消除轉(zhuǎn)子的暫態(tài)量，進(jìn)而重新獲得對(duì)DFIG的控制［10］。

2.2 LVRT其它解決方案

設(shè)計(jì)用于補(bǔ)償故障電壓的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)可從根本上解決LVRT問題。DVR是一種串聯(lián)在電網(wǎng)上的電壓源變頻器，可以用來為沒有足夠低電壓穿越能力的風(fēng)機(jī)提供電壓補(bǔ)償。根據(jù)文獻(xiàn)［11］的描述，當(dāng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)被DVR保護(hù)后，風(fēng)機(jī)機(jī)端的電壓跌落可以被補(bǔ)償?shù)诫妷旱淝暗闹怠FIG的反應(yīng)變得不敏感，所以產(chǎn)生更低的定子和轉(zhuǎn)子過電流，從而無需觸發(fā)Crowbar。DVR將風(fēng)機(jī)從非對(duì)稱故障產(chǎn)生的負(fù)序電壓成分中隔離，DVR清除負(fù)序電壓成分的能力為風(fēng)機(jī)帶來了在非對(duì)稱電壓跌落下更好的性能。

3 中國低電壓穿越電網(wǎng)的要求

根據(jù)中國電監(jiān)會(huì) (SERC)的最新并網(wǎng)要求，新風(fēng)機(jī)必須在一定范圍內(nèi)的電網(wǎng)故障期間保持與電網(wǎng)連接并穩(wěn)定運(yùn)行，必須在電網(wǎng)跌落到額定電壓的20%時(shí)具有在625 ms內(nèi)不脫網(wǎng)運(yùn)行的能力。最新風(fēng)機(jī)并網(wǎng)LVRT要求如圖6所示。

對(duì)于跌落時(shí)間大于625 ms的電網(wǎng)，風(fēng)機(jī)需要在圖6中黑線以上的位置保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，即在電壓跌落以及故障恢復(fù)期間，風(fēng)電場(chǎng)必須向電網(wǎng)提供無功功率，用以支持并網(wǎng)耦合點(diǎn)PCC電壓的恢復(fù)。在電網(wǎng)電壓故障恢復(fù)后，風(fēng)機(jī)必須在幾百ms內(nèi)為電網(wǎng)提供有功功率。

由表1可知，A、B、C風(fēng)機(jī)經(jīng)歷的電壓跌落時(shí)間分別為1 211 ms、1 226 ms、1 216 ms，可以推斷所有風(fēng)機(jī)都能滿足圖6中的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。圖7將實(shí)際波形與LVRT國標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，可見所有風(fēng)機(jī)電壓曲線都沒有超越SERC規(guī)定的黑色實(shí)線。

4 風(fēng)電場(chǎng)的無功功率補(bǔ)償

風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部無功功率補(bǔ)償裝置密切相關(guān)，無功功率補(bǔ)償裝置可以維持電壓穩(wěn)定。被測(cè)試的風(fēng)電場(chǎng)使用SVC作為無功功率補(bǔ)償器，SVC利用晶體管控制的電抗器和電容器獲得動(dòng)態(tài)無功功率控制。

為進(jìn)一步提高風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力，可以使用靜態(tài)同步補(bǔ)償器 (STATCOM)。對(duì)比已經(jīng)安裝在被測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)的SVC，STATCOM可以提供更快的響應(yīng)、更小的波動(dòng)，并提高在低電壓情況下的穿越能力。如果STATCOM與SVC擁有同樣的功率，那么安裝STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)會(huì)有更好的低電壓穿越表現(xiàn)［12］。

5 結(jié)論

為滿足中國電監(jiān)會(huì) (SERC)提出的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越并網(wǎng)要求，應(yīng)用多種低電壓穿越方案，包括主動(dòng)Crowbar、被動(dòng)Crowbar、直流斬波器和DVR補(bǔ)償器。裝備主動(dòng)Crowbar的風(fēng)機(jī)能更快恢復(fù)控制，直流斬波器和交流Crowbar的組合可以平復(fù)DC－link電壓，進(jìn)而提高DFIG風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。

對(duì)稱和非對(duì)稱故障給風(fēng)機(jī)帶來暫態(tài)轉(zhuǎn)子過電流和嚴(yán)重的電流振蕩，但無論發(fā)生哪種電壓跌落，跌落開始和結(jié)束時(shí)都存在電流峰值。

DVR補(bǔ)償故障電壓的功能表明它可從根本上解決單臺(tái)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越難題。和SVC相比，STATCOM能更有效提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力。STATCOM可以和DVR變頻器聯(lián)合使用，共同幫助風(fēng)電場(chǎng)處理多種未知的電網(wǎng)電壓跌落。

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