風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)

低電壓過(guò)渡能力：Low Voltage Ride Through ，LVRT ;Fault Ride Through ，FRT

曾稱(chēng)“低電壓穿越”。定義：小型發(fā)電系統在確定的時(shí)間內承受一定限值的電網(wǎng)低電壓而不退出運行的能力。

一、風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)

1、問(wèn)題的提出

對于變頻恒速雙饋風(fēng)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備屬于A(yíng)C/DC/AC型，容易在其轉子側產(chǎn)生峰值涌流，損壞變流設備，導致風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)解列。在以前風(fēng)力發(fā)電機容量較小的時(shí)候，為了保護轉子側的勵磁裝置，就采取與電網(wǎng)解列的方式，但目前風(fēng)力發(fā)電的容量都很大，與電網(wǎng)解列后會(huì )影響整個(gè)電網(wǎng)的穩定性，甚至會(huì )產(chǎn)生連鎖故障。于是，根據這種情況，國外的專(zhuān)家就提出了風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越的問(wèn)題。

2、LVRT概念的解釋

當電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)需維持一段時(shí)間與電網(wǎng)連接而不解列，甚至要求風(fēng)電場(chǎng)在這一過(guò)程中能夠提供無(wú)功以支持電網(wǎng)電壓的恢復即低電壓穿越。

目前對于風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機由于其自身機構特點(diǎn)，實(shí)現LVRT存在以下幾方面的難點(diǎn)：

1)確保故障期間轉子側沖擊電流與直流母線(xiàn)過(guò)電壓都在系統可承受范圍之內;

2)所采取的對策應具備各種故障類(lèi)型下的有效性;

3)控制策略須滿(mǎn)足對不同機組、不同參數的適應性;

4)工程應用中須在實(shí)現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(guò)程分析(感覺(jué)這部分內容需要理論推導)

在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風(fēng)電機組中的雙饋感應發(fā)電機會(huì )導致轉子側過(guò)流，同時(shí)轉子側電流的迅速增加會(huì )導致轉子勵磁變流器直流側電壓升高，發(fā)電機勵磁變流器的電流以及有功和無(wú)功都會(huì )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(huì )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，而轉子繼續旋轉，會(huì )產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會(huì )引起轉子繞組的過(guò)壓、過(guò)流。如果電網(wǎng)出現的是不對稱(chēng)故障的話(huà)，會(huì )使轉子過(guò)壓與過(guò)流的現象更加嚴重，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(guò)流會(huì )損壞轉子勵磁變流器，而過(guò)壓會(huì )使發(fā)電機的轉子繞組絕緣擊穿。

二、低電壓穿越技術(shù)的具體實(shí)現

目前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是采用了轉子短路保護技術(shù)，二種是引入新型拓撲結構，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、轉子短路保護技術(shù)(crowbar電路)

這是目前一些風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統故障出現電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時(shí)投入轉子回路的旁路(釋能電阻)保護裝置,達到限制通過(guò)勵磁變流器的電流和轉子繞組過(guò)電壓的作用，以此來(lái)維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行(此時(shí)雙饋感應發(fā)電機按感應電動(dòng)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(gè)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(gè)橋臂由兩個(gè)二極管串聯(lián)，直流側串入一個(gè)IGBT器件和一個(gè)吸收電阻。

(3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件將旁路電阻連接到轉子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個(gè)旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。

2、引入新型拓撲結構

這種結構與傳統的軟啟動(dòng)裝置類(lèi)似，在雙饋感應發(fā)電機定子側與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。 在正常運行時(shí)，這些可控硅全部導通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復期間，轉子側可能出現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子側大電流沖擊，轉子側勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來(lái)保證變流器在電網(wǎng)故障時(shí)不與轉子繞組斷開(kāi)時(shí)的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復時(shí)，轉子側最大電流可能會(huì )達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網(wǎng)電壓跌落嚴重時(shí)，為了避免電壓回升時(shí)系統在轉子側所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發(fā)電機通過(guò)反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉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，雙饋感應發(fā)電機便能迅速地與電網(wǎng)達到同步。再通過(guò)開(kāi)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(shí)間內能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應發(fā)電機的脫網(wǎng)運行時(shí)間。轉子側大功率饋入直流側會(huì )導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴(lài)于直流側電容的大小，因此直流側設計crowbar電路，在直流側安裝電阻來(lái)作吸收電路，將直流側電壓限制在允許范圍內。

這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統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(guò)門(mén)極關(guān)斷，這要求很大的門(mén)極負驅動(dòng)電流，驅動(dòng)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(huà)，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話(huà)，通態(tài)損耗會(huì )很大。理論上，如果利用接觸器來(lái)代替可控硅開(kāi)關(guān)的話(huà)，雖通態(tài)時(shí)無(wú)損耗，但斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間太長(cháng)。而且由于該方案在輸電系統故障時(shí)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(zhù)勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統的低電壓穿越能力，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(jìn)行串聯(lián)連接，比如，變流器通過(guò)發(fā)電機定子端的串聯(lián)變壓器實(shí)現與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應發(fā)電機定子端的電壓為網(wǎng)側電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過(guò)控制變流器的電壓來(lái)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，從而阻止轉子側大電流的產(chǎn)生，減小系統受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響，達到強化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統許多成本，控制也比較復雜。

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

風(fēng)電機組應該具有低電壓穿越能力：

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

b)風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運行;

c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運行。

風(fēng)電機組低電壓穿越(LVRT)能力的深度對機組造價(jià)影響很大,根據實(shí)際系統對風(fēng)電機組進(jìn)行合理的LVRT能力設計很有必要。對變速風(fēng)電機組LVRT原理進(jìn)行了理論分析,對多種實(shí)現方案進(jìn)行了比較。在電力系統仿真分析軟件DIgSILENT/PowerFactory中建立雙饋變速風(fēng)電機組及LVRT功能模型。以地區電網(wǎng)為例,詳細分析系統故障對風(fēng)電機組機端電壓的影響,依據不同的風(fēng)電場(chǎng)接入方案計算風(fēng)電機組LVRT能力的電壓限值,對風(fēng)電機組進(jìn)行合理的LVRT能力設計。結果表明, 風(fēng)電機組LVRT能力的深度主要由系統接線(xiàn)和風(fēng)電場(chǎng)接入方案決定。設計風(fēng)電機組LVRT能力時(shí),機組運行曲線(xiàn)的電壓限值應根據具體接入方案進(jìn)行分析計算。

解決：需要改動(dòng)控制系統，變流器和變槳系統。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(lèi)型有不同的實(shí)現方法，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，根據不同的系統要求選擇低電壓穿越能力的大小，即電壓跌落深度和時(shí)間，具體要求根據電網(wǎng)標準要求。

風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統故障出現電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時(shí)投入轉子回路的旁路(釋能電阻)保護裝置,達到限制通過(guò)勵磁變流器的電流和轉子繞組過(guò)電壓的作用，以此來(lái)維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行(此時(shí)雙饋感應發(fā)電機按感應電動(dòng)機方式運行)。也就是在變流器的輸出側接一旁路CRAWBAR，先經(jīng)過(guò)散熱電阻,再進(jìn)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.當低電壓發(fā)生后,無(wú)功電流均有加大，有功電流有短時(shí)間的震蕩，過(guò)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(shí)間要根據電壓跌落值來(lái)確定。當然，在直流環(huán)節上也要有保護裝置.詳細就不討論.具體的討論再聯(lián)系。FRT的實(shí)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)節有保護裝置，但輸出側仍是無(wú)源CRAWBAR。

crowbar觸發(fā)以后，按照感應電動(dòng)機來(lái)運行，這個(gè)只能保證發(fā)電機不脫網(wǎng)，而不能向電網(wǎng)提供無(wú)功，支撐電網(wǎng)電壓?，F在LVRT能提供電網(wǎng)支撐的風(fēng)機很少，這個(gè)是LVRT最高的level。德國已經(jīng)制定標準了。最后還是得增加轉子變頻器的過(guò)流能力。

另外，控制系統要嵌入動(dòng)態(tài)電壓暫降補償器，當有暫降時(shí)瞬時(shí)將電壓補償上去，先保住控制系統不跳。ABB號稱(chēng)采用了一種ACtive CROWBAR來(lái)實(shí)現低壓穿越功能。

低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)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(gè)低電壓時(shí)間(區域)。LVRT是對并網(wǎng)風(fēng)機在電網(wǎng)出現電壓跌落時(shí)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)所提出的LVRT要求不盡相同。目前在一些風(fēng)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(fēng)電系統離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續時(shí)間)，只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規定曲線(xiàn)以后才允許風(fēng)力發(fā)電機脫網(wǎng)，當電壓在凹陷部分時(shí)，發(fā)電機應提供無(wú)功功率。這就要求風(fēng)力發(fā)電系統具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力，同時(shí)能方便地為電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持，但目前的雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是否能夠應對自如，學(xué)術(shù)界尚有爭論，而永磁直接驅動(dòng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統已被證實(shí)在這方面擁有出色的性能。