風(fēng)力發(fā)電是目前世界上最具有開發(fā)價(jià)值的可再生能源利用技術(shù)之一，近年來風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展，大型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主流。風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行也給并網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全帶來了新課題，風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和不穩(wěn)定可能給電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來不利因素，反過來電網(wǎng)運(yùn)行的波動(dòng)也會(huì)給風(fēng)電機(jī)組的安全帶來危害。例如當(dāng)電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過低時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組如果不及時(shí)動(dòng)作就可能嚴(yán)重受損，同時(shí)也影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)能力是指當(dāng)端電壓降低到一定值的情況下，風(fēng)電機(jī)組不脫離電網(wǎng)繼續(xù)維持運(yùn)行的能力，這種運(yùn)行有時(shí)甚至還可以為系統(tǒng)提供一定無功支持以幫助電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)電壓。

本文準(zhǔn)備在分析低電壓事件對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組影響的基礎(chǔ)上，提出一種基于軟件控制的軟穿越功能和基于硬件實(shí)現(xiàn)LVRT的控制方式，利用這種技術(shù)可以避免電網(wǎng)電壓突降對(duì)風(fēng)電機(jī)組的不利影響。

1.LVRT要求

德國電網(wǎng)公司提出的LVRT要求如圖1。

圖1 E ON LVRT曲線

該公司的標(biāo)準(zhǔn)明確指出了當(dāng)端電壓跌落到多少幅值時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以脫網(wǎng)以及與電網(wǎng)維持連接多長時(shí)間可以脫網(wǎng)的具體要求。

對(duì)于采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障電壓跌落時(shí)，雙饋電機(jī)定子的電流將會(huì)增大，并在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的電流。如果電網(wǎng)電壓跌落較少，那么通過增大電流調(diào)節(jié)器的帶寬可以限制電流上升，但是若電壓跌落的幅度較大，那么轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流會(huì)損壞直接串接在轉(zhuǎn)子回路上的變流器內(nèi)部功率器件，即使此時(shí)封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器脈沖，轉(zhuǎn)子電流也會(huì)通過續(xù)流二極管，造成變流器直流回路(變流器直流電路)電壓升高，網(wǎng)側(cè)變流器如果不能快速將能量送至電網(wǎng)，過電壓就會(huì)導(dǎo)致母線電容損壞。也就是說，電網(wǎng)電壓跌落對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組主要會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果。第一種結(jié)果，由于雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子側(cè)裝有轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置，電網(wǎng)電壓的跌落導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)電流或變流器直流電路電壓超過限值規(guī)定時(shí)間后，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置旁路，但是機(jī)組的電網(wǎng)側(cè)變流器仍與電網(wǎng)相連。第二種結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的升高不足危害到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器時(shí)，轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置不動(dòng)作。但是在定子電壓和磁通跌落的同時(shí)，雙饋電機(jī)的輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩下降，如果輸入風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率保持不變，那么電磁轉(zhuǎn)矩的減少就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增大，這時(shí)機(jī)組控制器必須及時(shí)調(diào)節(jié)槳距角減少機(jī)組捕獲的風(fēng)能及機(jī)械轉(zhuǎn)矩，才有可能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

一臺(tái)具有LVRT功能風(fēng)電機(jī)組必須同時(shí)具備以下功能：①在端電壓劇烈波動(dòng)期間仍可保持并網(wǎng);②電壓下降時(shí)，控制器可以通過蓄能裝置(液壓蓄能器或蓄電池)進(jìn)行變槳，以防止風(fēng)輪過速;③在電壓波動(dòng)期間，保護(hù)變流器和發(fā)電機(jī)免受高電壓和高電流的損害;④暫時(shí)關(guān)閉可能因暴露在低電壓下而受到損害或可能因電路斷路器動(dòng)作或熔絲動(dòng)作而跳閘的非關(guān)鍵子系統(tǒng)。

2.軟穿越(SRT)技術(shù)

雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIG)定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，變流器系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵(lì)磁電流。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡圖

通過優(yōu)化變流器系統(tǒng)的控制軟件雙饋風(fēng)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)LVRT功能，例如當(dāng)電網(wǎng)電壓下降至額定電壓的70%時(shí)仍然可以與電網(wǎng)連接，這種技術(shù)稱為軟穿越(Soft-Ride-Through)。軟穿越是基于魯棒控制(Robust Control)概念的一種軟件實(shí)現(xiàn)LVRT功能的方式。風(fēng)電機(jī)組的控制主要包含兩種方式，即增益表技術(shù)(Gain Scheduling Techniques)和魯棒控制(Robust Control)，經(jīng)典的增益表技術(shù)是將非線性或時(shí)變系統(tǒng)在選定的工作點(diǎn)進(jìn)行線性化，魯棒控制則用于控制因風(fēng)能不確定性所導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)特性變化。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓下降時(shí)，變流器雖然可以通過增加電流來努力使功率輸出維持恒定，但是功率器件的電流必須在允許的最大限值以內(nèi)，一旦超過限值過電流會(huì)導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件IGBT結(jié)溫過高而損壞;為了防止功率變換系統(tǒng)的損壞，控制系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)變流器的自保護(hù)采取停機(jī)措施，但是如果變流器冷卻系統(tǒng)確實(shí)能夠使IGBT在一定時(shí)間內(nèi)IGBT結(jié)的溫度保持在允許范圍，還是可以允許功率器件的電流短時(shí)超限?；隰敯艨刂频倪\(yùn)行周期的控制模式，可以限定雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，向電網(wǎng)輸出最大電能，并且降低機(jī)組輸出的無功功率以確保最大的有功功率輸出。變流器系統(tǒng)在魯棒控制下限定某些運(yùn)行參數(shù)可以使風(fēng)電機(jī)組可以在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行;也就是說，這種“軟穿越”技術(shù)的應(yīng)用，允許風(fēng)電機(jī)組在更寬的電壓和頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，提高了風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性和自身運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以穩(wěn)定電網(wǎng)。雙饋風(fēng)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)的軟穿越范圍如圖3 所示。

圖3 SRT曲線

SRT曲線可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)LVRT，但如果在電網(wǎng)電壓跌落至更低水平(如電網(wǎng)電壓下降幅度超過額定電壓的15%)時(shí)仍然要求風(fēng)電機(jī)組保持運(yùn)行不脫網(wǎng)，就必須增加發(fā)電機(jī)和變流器的容量，在敏感控制電路中使用不間斷電源(UPS)和控制轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置等，只有這樣才能完全滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3.基于硬件實(shí)現(xiàn)LVRT控制

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至很低時(shí)，如下降幅度超過額定電壓的15%，并網(wǎng)系統(tǒng)很可能出現(xiàn)故障阻礙風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送能量;這時(shí)如果風(fēng)速不變，風(fēng)輪吸收的機(jī)械能不變，那么風(fēng)力機(jī)吸收的機(jī)械能只能作為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量以更高的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的形式被存儲(chǔ)，如果增加的能量不能及時(shí)釋放或存儲(chǔ)，那么會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子超速，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘脫網(wǎng)，同時(shí)電網(wǎng)的低電壓所產(chǎn)生的過電流會(huì)導(dǎo)致熔絲熔斷、斷路器跳閘或過熱等故障。發(fā)電機(jī)可以存儲(chǔ)磁能，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓快速下降時(shí)，存儲(chǔ)的磁能就會(huì)轉(zhuǎn)化為過高電流，導(dǎo)致與發(fā)電機(jī)相連的變流器中的功率半導(dǎo)體器件失效。

為了在更苛刻條件下實(shí)現(xiàn)LVRT，雙饋風(fēng)電機(jī)組可以增加部分元件并輔以一定的控制策略，如圖4所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，采用不間斷電源UPS向機(jī)組主控制器和機(jī)組所需其他電壓等級(jí)(230VAC和400VAC)的部件提供電源;為了在低電壓事件中保護(hù)發(fā)電機(jī)，變流器包括轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置電路由不間斷電源供電，將發(fā)電機(jī)端的電壓維持在容許范圍內(nèi)，必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)停止對(duì)一個(gè)或多個(gè)非關(guān)鍵負(fù)載的供電，保護(hù)這些部件不受損害。

圖4 硬件實(shí)現(xiàn)LVRT示意框圖

采用電機(jī)側(cè)變流器控制器監(jiān)測(cè)電機(jī)側(cè)變流器的電流和變流器直流電路的電壓，可以讓電流限制電路及時(shí)采取措施防止低壓導(dǎo)致的高電流造成的損害。轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置和電機(jī)側(cè)變流器控制器是允許風(fēng)電機(jī)組克服低電壓事件并保持與電網(wǎng)同步的重要組成部分，可以有選擇地從變流器或其他可能被過電流損害的組件中分流過電流，利用電機(jī)側(cè)變流器控制器有選擇地啟動(dòng)或停止轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置，還可以使電機(jī)側(cè)變流器中的電流維持在可接受的范圍內(nèi);例如分流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和電機(jī)側(cè)變流器的過電流，可以將變流器電流維持在安全范圍。

主控制器主要用于對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)行控制，包括啟動(dòng)和停止機(jī)組，控制發(fā)電機(jī)輸出功率與風(fēng)速匹配，控制葉片角度與風(fēng)速匹配以防止超速，實(shí)現(xiàn)偏航對(duì)風(fēng)等，通常主控制器可以由可編程控制器(PLC)或其他形式實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組的LVRT功能，主控制器檢測(cè)低電壓情況并做出響應(yīng)，當(dāng)主控制器判斷低電壓事件發(fā)生時(shí)，可將變槳系統(tǒng)從低壓配電系統(tǒng)供電模式切換至UPS供電模式，通過減少機(jī)械轉(zhuǎn)矩防止風(fēng)輪過速。另外，對(duì)低電壓的響應(yīng)還包括切斷機(jī)組非關(guān)鍵系統(tǒng)(如偏航系統(tǒng))電源，以防止熔斷器和斷路器等發(fā)生故障，而其他負(fù)載如加熱器和照明裝置等對(duì)低壓具有一定抵抗力，可以不需要斷開電源。

投入U(xiǎn)PS可以讓變槳系統(tǒng)在電壓跌落時(shí)作短時(shí)運(yùn)行等待電網(wǎng)的電壓恢復(fù)，還可以在電壓降低時(shí)向一個(gè)或多個(gè)傳感器供電，保證主控制器可以正常監(jiān)測(cè)機(jī)組一些關(guān)鍵的運(yùn)行點(diǎn)，并及時(shí)對(duì)超速等嚴(yán)重情況做出響應(yīng)。

4.實(shí)現(xiàn)LVRT的控制流程

圖5是雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)LVRT功能的控制流程。

圖5 LVRT控制流程簡圖

在發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行中，低電壓檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)接入電網(wǎng)方的具體要求預(yù)先設(shè)定合適的電壓限值(電壓的降低程度以額定電壓的百分比定義)和低壓持續(xù)時(shí)間，一旦電網(wǎng)電壓低于設(shè)定的電壓限值系統(tǒng)判定為低壓事件，立即根據(jù)受低壓影響的嚴(yán)重等級(jí)選擇部分器件把它們的供電電源切換為備用電源，目的是保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行不脫網(wǎng)，保證主控制器和變流器系統(tǒng)能夠采取相應(yīng)的措施讓機(jī)組在安全條件下運(yùn)行，以及切斷非關(guān)鍵部件的供電保證這些部件不被過高電流損害。與此同時(shí)控制系統(tǒng)還要對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦電網(wǎng)的低電壓持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定限值，變流器控制器會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置以防功率器件損壞。只有當(dāng)?shù)蛪菏录Y(jié)束后發(fā)電機(jī)輸出功率被重新提升，主控制器才將系統(tǒng)切換至正常工作狀態(tài)。

5.結(jié)束語

通過對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)LVRT的應(yīng)用技術(shù)分析，可以看出當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至較低水平時(shí)，采取軟硬件互相支持的方式可以滿足機(jī)組的低電壓穿越功能，提高機(jī)組的輸出能力和一定程度上穩(wěn)定電網(wǎng)，有效提高機(jī)組輸出的電能質(zhì)量。文中方法目前雖然還處于研究階段，但其中的一些方法已經(jīng)在實(shí)際產(chǎn)品中得到應(yīng)用。隨著風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量的不斷增大，電網(wǎng)一定會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組LVRT提出標(biāo)準(zhǔn)要求，與發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)的測(cè)試、評(píng)估環(huán)境也將會(huì)越來越完善。