第六講電網(wǎng)故障下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制

第六講電網(wǎng)故障下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制黃科元

博士2011年4月湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院隨著風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中的增加和單機(jī)容量的快速提高，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大，必須將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)作為一個(gè)整體來實(shí)施運(yùn)行控制。為此，各大電力公司、特別是歐洲的電網(wǎng)運(yùn)營商紛紛出臺(tái)了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)規(guī)范，并且從電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度出發(fā)，要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障、電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，即要求風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越(LowVoltageRideThrough，LVRT)能力。背景永磁同步電機(jī)的低電壓穿越二主要內(nèi)容電網(wǎng)電壓跌落的危害一雙饋電機(jī)的低電壓穿越三歐洲E.ON標(biāo)準(zhǔn)中的LVRT能力曲線該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在電網(wǎng)電壓跌落到某一幅值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否跳機(jī)，以及與電網(wǎng)維持連接多長時(shí)間方可跳機(jī)。僅當(dāng)電網(wǎng)電壓在時(shí)間或數(shù)值上處于圖示曲線下方時(shí)，風(fēng)機(jī)才允許解列；而在曲線以上區(qū)域，風(fēng)機(jī)應(yīng)保持并網(wǎng)，等待電網(wǎng)恢復(fù)。在圖中可以看到，當(dāng)電壓跌落到15%～45%時(shí)，要求風(fēng)機(jī)一直提供無功支持，并應(yīng)能保持并網(wǎng)至少625ms。而在電壓跌落到90%以上時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)一直保持并網(wǎng)運(yùn)行。

三相電壓對(duì)稱跌落電網(wǎng)故障的主要類型

三相電壓不對(duì)稱跌落

電力系統(tǒng)故障往往會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓降低，引起機(jī)組定子和轉(zhuǎn)子電流增加，直流電壓快速升高，電機(jī)轉(zhuǎn)子加速等有可能損壞機(jī)組元器件的一系列問題，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)性切機(jī)，這會(huì)引起電網(wǎng)的擴(kuò)大化故障，給電網(wǎng)的恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

電壓跌落的危害

a)電網(wǎng)電壓峰值(標(biāo)幺值)b)直流母線電壓(標(biāo)幺值)c)網(wǎng)側(cè)電流(標(biāo)幺值)

在電網(wǎng)電壓突降的瞬間，風(fēng)電機(jī)組的能量無法完全輸出到電網(wǎng)，剩余的能量一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能、一部分通過給變流器直流側(cè)電容充電轉(zhuǎn)化為電勢能、此外也有可能通過儲(chǔ)能/耗能電路釋放；這個(gè)能量釋放的過程很容易引起轉(zhuǎn)子的超速、機(jī)端交流電壓的升高和直流側(cè)電容電壓的升高，嚴(yán)重威脅風(fēng)機(jī)機(jī)組和變流器器件的安全。解決低電壓過程中轉(zhuǎn)子超速、交流電壓和直流電壓的升高，是PMSG實(shí)現(xiàn)LVRT的主要問題。

永磁同步發(fā)電系統(tǒng)低電壓保護(hù)策略

(1)在直流母線上接耗能單元，當(dāng)檢測母線電壓過高時(shí)消耗掉多余的能量。(2)在直流母線上接額外的儲(chǔ)能單元，當(dāng)檢測直流母線電壓過高時(shí)轉(zhuǎn)移多余的能量，故障恢復(fù)后將所存儲(chǔ)的能量饋入電網(wǎng)。(3)增加變流器容量。

PMSG實(shí)現(xiàn)LVRT的硬件拓?fù)浞椒?/p>

1)耗能法

2)儲(chǔ)能法

c)增加容量

1）槳距角控制在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障時(shí)，引用緊急變槳控制，使風(fēng)力機(jī)的槳距角迅速增加，從而使風(fēng)力機(jī)所捕獲的機(jī)械轉(zhuǎn)矩迅速減小，減少風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器的輸出功率，緩解直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的功率不平衡。其他輔助策略1）葉尖速比控制調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速讓風(fēng)力機(jī)的葉尖速比脫離最佳葉尖速比，減少風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器的輸出功率，亦能有效緩解風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在低電壓運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的功率不平衡，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越運(yùn)行。首先通過網(wǎng)側(cè)電壓的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，網(wǎng)側(cè)變流器即刻運(yùn)行低電壓故障時(shí)無功補(bǔ)償控制策略，直流母線電壓由直流側(cè)Crowbar限制于母線最大允許電壓，并在同時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其偏離最佳尖速比，減少發(fā)電機(jī)的輸出功率。電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行DFIG風(fēng)電機(jī)組能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)連續(xù)對(duì)稱或不對(duì)稱故障時(shí)仍保持不脫網(wǎng)穿越運(yùn)行（Fault-RideThrough，F(xiàn)RT）！GRIDCODE要求非理想電網(wǎng)條件下（電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落、不平衡等故障）風(fēng)機(jī)單機(jī)容量增加（MW級(jí)）電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)子側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)變換器定子電壓定向（SVO）定子磁鏈定向（SFO）定子電壓定向（SVO）傳統(tǒng)矢量控制理想電網(wǎng)定向基準(zhǔn)為電網(wǎng)電壓電網(wǎng)故障時(shí)將失控隱患！電網(wǎng)故障下變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和控制考慮到兩ＰＷＭ變換器的控制方式∶電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行不同電網(wǎng)故障下DFIG的控制策略@小值電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障，采用改進(jìn)SFO、SVO控制策略；小值電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障，采用基于SFO、SVO的新型不對(duì)稱控制策略；大值電壓跌落或嚴(yán)重電壓不平衡時(shí)，以保護(hù)有限容量變換器不過流和直流環(huán)節(jié)無過電壓為目標(biāo)的快速短接保護(hù)(Crowbar)技術(shù)。拓展的DFIG“低電壓穿越（Low-VoltageRide-Through，LVRT）”運(yùn)行DFIG低電壓穿越運(yùn)行的控制目標(biāo)：

(1)保持電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)運(yùn)行，以防發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列引發(fā)弱電網(wǎng)更大的后繼故障；

(2)保持連續(xù)、穩(wěn)定地提供無功功率以協(xié)助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，減小電網(wǎng)電壓崩潰的可能；

(3)釋放故障能量，抑制短路電流，保護(hù)勵(lì)磁變頻器和直流母線電容；

(4)保持電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)幅值在轉(zhuǎn)軸和齒輪可承受范圍之內(nèi)(約2～2.5倍額定轉(zhuǎn)矩)；

(5)延緩轉(zhuǎn)速上升，防止飛車。電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行帶Crowbar保護(hù)的變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行提出新型雙dqPLL

解決電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障下電壓同步信號(hào)的有效檢測.將電網(wǎng)電壓向量Us分解為正序向量Us+和負(fù)序向量Us-，分別變換到正向同步旋轉(zhuǎn)d+q+坐標(biāo)系和反向同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，以實(shí)現(xiàn)正、負(fù)序間的解耦；再通過分相序調(diào)節(jié)，獲得正序和負(fù)序分量的頻率、相位和幅值，為風(fēng)電機(jī)組的故障運(yùn)行提供依據(jù)。

電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行工作展望后續(xù)研應(yīng)集中在真實(shí)電網(wǎng)條件下的運(yùn)行控制,包括電網(wǎng)電壓跌落下的低電壓穿越以及電網(wǎng)不對(duì)稱故障下的運(yùn)行控制,以獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建適用于廣義低電壓穿越（LVRT）運(yùn)行的DFIG風(fēng)電機(jī)組控制模型。即電網(wǎng)故障、電壓不平衡下，包括DFIG本體、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器在內(nèi)完整的DFIG風(fēng)電機(jī)組

正、負(fù)序d-q軸控制模型，以形成整個(gè)DFIG風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越運(yùn)行分析、控制方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。DFIG風(fēng)電系統(tǒng)后續(xù)研究工作展望DFIG風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制主要是功率控制，因此電網(wǎng)故障不平衡電壓下正序、負(fù)序、有功、無功功率指令的控制算法、根據(jù)功率指令形成的正、負(fù)序d-q軸電流的快速有效調(diào)節(jié)、以及如何綜合分量電流最終形成實(shí)際電流控制指令而又保證轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不過流是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)廣義低電壓穿越的技術(shù)核心和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

DFIG風(fēng)電系統(tǒng)后續(xù)研究工作展望研究快速短接保護(hù)裝置的優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)投入和切除時(shí)間的選擇網(wǎng)側(cè)變換器的無功補(bǔ)償控制對(duì)形成大值電網(wǎng)電壓故障下DFIG風(fēng)電機(jī)組的有效保護(hù)、有利于電網(wǎng)故障后電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)十分關(guān)鍵。

DFIG風(fēng)電系統(tǒng)后續(xù)研究工作展望風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制多采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制,為獲得控制基準(zhǔn),常采用鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓頻率、相位進(jìn)行檢測。

電網(wǎng)故障下電壓不對(duì)稱,包含負(fù)序分量及各類諧波,必須研究故障電網(wǎng)條件下的全新鎖相環(huán)技術(shù)@,以構(gòu)成不對(duì)稱電網(wǎng)條件下正、負(fù)序系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)和實(shí)施有效控制的前提。DFIG風(fēng)電系統(tǒng)后續(xù)研究工作展望@故障電網(wǎng)條件下的全新鎖相環(huán)技術(shù)研究已獲得初步成果并已申請(qǐng)專利保護(hù).

電網(wǎng)故障時(shí)不平衡電壓系