變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述

1、2009年 9月 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 Vol.24 No. 9 第 24卷第 9期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2009變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述賀益康 周 鵬(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027摘要 隨著以變速恒頻(VSCF 雙饋異步發(fā)電機(DFIG 為主體的大型風(fēng)力發(fā)電機組在電 網(wǎng)中所占比例的快速提高,電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機在外部電網(wǎng)故障、特別是電網(wǎng)電壓驟降故 障下的不間斷運行能力提出了更高的要求。本文首先分析了電網(wǎng)電壓驟降對 DFIG 運行的影響, 提出了 DFIG 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低

2、電壓穿越運行的控制目標(biāo),繼而總結(jié)、評價了各種適合于 DFIG 風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù),最后指出了 DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的優(yōu)化方向,以期展 示該技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:雙饋異步發(fā)電機 低電壓穿越 變速恒頻 電網(wǎng)電壓驟降中圖分類號:TM614; TM315Overview of the Low Voltage Ride-Through Technology forVariable Speed Constant FrequencyDoubly Fed Wind Power Generation SystemsHe Yikang Zhou Peng(Zhejiang Un

3、iversity Hangzhou 310027 ChinaAbstract As the wind power penetration from large scale wind turbines, which are based on variable speed constant frequency (VSCF doubly fed induction generators (DFIG, has been increasing rapidly in the transmission system, the grid codes for grid connected wind turbin

4、es evolve continuously and demand that the wind power generator has to ride through the grid faults, especially the grid voltage dips. In this paper, the influence of grid voltage dips on the DFIG is analyzed firstly. Meanwhile, the control objective of the low voltage ride through (LVRT is proposed

5、. Several types of LVRT technology for the DFIG wind turbine systems are then summarized and evaluated respectively. Finally, for the purpose of revealing the latest progress and the developing direction of this technology a valuable conclusion about the optimizing of the LVRT technology is drawn fr

6、om the above discussion.Keywords :Doubly fed induction generator, low voltage ride through, variable speed constant frequency, grid voltage dips1引言在過去的 10年中, 全世界的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)以年 均 28%的速度快速增長,成為發(fā)展最快的可再生能 源 1。在各種類型的風(fēng)力發(fā)電機組中,變速恒頻雙 饋異步發(fā)電機(DFIG 以其調(diào)速范圍寬、有功和無 功功率可獨立調(diào)節(jié)以及所需勵磁變頻器容量較小等 優(yōu)點, 迅速取代傳統(tǒng)的恒速恒頻籠型異步發(fā)電機組, 成為國際主流風(fēng)

7、電機組產(chǎn)品,占據(jù)大部分市場份 額 2。 DFIG 風(fēng)電機組的特征是定子直接并網(wǎng),并通 過勵磁變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位和幅值來國家自然科學(xué)基金(50577056和國家 863高技術(shù)基金(2007AA 05Z419資助項目。收稿日期 2007-06-28 改稿日期 2008-09-12第 24卷第 9期 賀益康 等 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述 141間接調(diào)節(jié)定子側(cè)的輸出功率。這種結(jié)構(gòu)不能分離 DFIG 與電網(wǎng)之間的聯(lián)系,導(dǎo)致機組對電網(wǎng)故障非 常敏感,而且在故障情況下小功率變頻器對 DFIG 的控制能力也受到限制。隨著 DFIG 風(fēng)電機組在電 力系統(tǒng)中所占容量的快速提高,發(fā)

8、電機與局部電網(wǎng) 之間的相互影響也越來越大,必須將風(fēng)力發(fā)電機與 電網(wǎng)作為一個整體來實施運行控制。為此,電力公 司及電網(wǎng)運營商紛紛提出了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)規(guī) 范 3,并且從維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度出發(fā),要求 風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落時能夠保持不脫網(wǎng)運行, 即要求 DFIG 風(fēng)電機組具備低電壓穿越(LVRT 能 力。目前,對電網(wǎng)電壓跌落故障下 DFIG 機組的行 為特性及提高其 LVRT 能力的研究,已成為國內(nèi)外 風(fēng)電技術(shù)研究的熱點問題 3-20。本文首先分析了電 網(wǎng)電壓驟降故障下 DFIG 的瞬態(tài)特性,指出了電壓 驟降故障對 DFIG 機組的危害,繼而提出了 DFIG 低電壓穿越運行的控制目標(biāo),然后對

9、各種適合于 DFIG 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了綜述, 分析其優(yōu)缺點,最后預(yù)測了 DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)低電壓 穿越技術(shù)的優(yōu)化方向和發(fā)展趨勢。2 電網(wǎng)電壓驟降時 DFIG 的瞬態(tài)特性與電 網(wǎng)要求圖 1為變速恒頻 DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)原理圖。由圖 可見, DFIG 的定子通過定子并網(wǎng)開關(guān)和功率開關(guān) 連接到電網(wǎng)上,其中并網(wǎng)開關(guān)實現(xiàn) DFIG 正常運行 情況下的并網(wǎng)和脫網(wǎng)操作,功率開關(guān)實現(xiàn)電網(wǎng)故障 下 DFIG 的緊急切除。轉(zhuǎn)子側(cè)快速短接保護(hù)裝置 (Crowbar 用 來 旁 路 轉(zhuǎn) 子 側(cè) 變 換 器 (Rotor Side Converter, RSC ,為電網(wǎng)電壓故障引發(fā)的轉(zhuǎn)子過電 流提供釋

10、放通路。 圖 1 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VSCF DFIG wind power generation system為了研究 DFIG 在電網(wǎng)電壓驟降故障下的瞬態(tài) 特性,需要首先建立相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。按電動 機慣例同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 DFIG 的電壓和磁鏈方 程分別為ss s s 1sr r r s rdjddjdRtRt=+=+U IU I(1s s s m rr m s r rL LL L=+=+I II I(2 式中 U s , U r 定、轉(zhuǎn)子電壓矢量;I s , I r 定、轉(zhuǎn)子電流矢量;s , r 定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?/p>

11、;1同步電角速度;s 轉(zhuǎn)差電角速度, s =1r ; L s , L r 定、轉(zhuǎn)子繞組全自感, L s =L s +L m , L r =L r +L m ;L m , L s , L r 定、轉(zhuǎn)子間互感、定子漏感和轉(zhuǎn)子 漏感,且 L m 遠(yuǎn)大于 L s 和 L r 。 按照定子短路故障下的電機瞬態(tài)分析方法,將 式(2代入式(1并進(jìn)行拉普拉斯變換 4,可得 DFIG 定、轉(zhuǎn)子瞬態(tài)短路電感為 5r ms s s rr mr r s rs mL LL L L LL LL LL L L LL L=+=+(3 即短路故障發(fā)生瞬間,定子電樞反應(yīng)磁通和轉(zhuǎn)子勵 磁磁通經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子漏磁路,如圖 2所示。(a

12、定子等效回路 (b 轉(zhuǎn)子等效回路圖 2 短路故障下定、轉(zhuǎn)子等效回路示意圖Fig.2 The equivalent circuit of stator and rotor windings under short circuit fault將式(3代入式(2可得定、轉(zhuǎn)子故障電流 為 5s 2ss r ms r m s r srrs r mL LLL L LL LLL L L=II(4由于故障瞬間磁鏈不能突變,定子磁鏈中將感 生出直流分量,而大型 DFIG 的定、轉(zhuǎn)子漏感一般 很小(約 0.1pu ,使得建立一定大小定子直流磁鏈 的定、轉(zhuǎn)子短路電流很大(約 510倍額定電流 , 對定、轉(zhuǎn)子繞組和勵

13、磁變頻器產(chǎn)生極大的危害。142 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 2009年 9月另一方面,從能量守恒的角度考慮,電網(wǎng)電壓 驟降會使 DFIG 產(chǎn)生的電能不能全部送出,而風(fēng)力 機吸收的風(fēng)能又不會明顯變化,因此這部分未能輸 出的能量將消耗在機組內(nèi)部。首先,定子電壓驟降 將引起定子電流增大, 由于定、 轉(zhuǎn)子之間的強耦合, 使得轉(zhuǎn)子側(cè)也感應(yīng)出過流和過壓。再考慮到大電流 會導(dǎo)致電機鐵心飽和、電抗減小,使定、轉(zhuǎn)子電流 進(jìn)一步增大。而且,定轉(zhuǎn)子電流的大幅波動會造成 DFIG 電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化,對風(fēng)電機組機械系統(tǒng) 產(chǎn)生很大的扭切應(yīng)力沖擊。轉(zhuǎn)子能量流經(jīng) RSC 之 后 , 一 部 分 被 網(wǎng) 側(cè) 變 換 器 (Gri

14、d Side Converter, GSC 傳遞到電網(wǎng),剩下的給直流電容充電,導(dǎo)致 直流母線電壓的快速升高。如果不及時采取保護(hù)措 施,僅靠定、轉(zhuǎn)子繞組自身漏阻抗不足以抑制浪涌 電流,過大的電流和電壓將導(dǎo)致勵磁變頻器、定轉(zhuǎn) 子繞組絕緣以及直流母線電容的損壞。目前,在風(fēng)電技術(shù)先進(jìn)的歐洲各國,電力公司都 提出了詳盡的風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越電網(wǎng)規(guī)范 3,6, 如 圖 3所示。規(guī)定當(dāng)電網(wǎng)側(cè)變壓器高壓側(cè)電壓在粗線 以上范圍內(nèi),風(fēng)力發(fā)電機必須保持與電網(wǎng)的連接。 其中最小維持電壓 U min 一般在 15%25%之間,低 電壓運行最長時間 t dipmax 一般在 0.53s 之間, 只有 電網(wǎng)故障時間超過 t

15、 dipmax 才允許發(fā)電機從電網(wǎng)中切 除。 短路電流 I k 與電網(wǎng)故障嚴(yán)重程度、 發(fā)電機參數(shù)、 故障瞬間發(fā)電機的運行狀態(tài)等多種因素有關(guān),一般 沒有明確的規(guī)定,但從各種文獻(xiàn)來看,最大瞬態(tài)短 路電流 I kmax 應(yīng)限制在 2(pu以內(nèi)。此外,在電壓下 降期間風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)在自身允許的范圍內(nèi)向電網(wǎng)注 入盡可能大的無功電流,以協(xié)助故障電網(wǎng)的恢復(fù)。 一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù),發(fā)電機必須在盡可能短的時間 內(nèi)(約 1s 恢復(fù)到正常工作狀態(tài) 7。 圖 3 低電壓穿越電網(wǎng)規(guī)范Fig.3 Grid code for LVRT根據(jù)上述電網(wǎng)電壓驟降故障對 DFIG 風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)影響的分析以及對相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范的要求,可將

16、DFIG 低電壓穿越運行的控制目標(biāo)歸結(jié)為:(1 保持電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)運行, 以防發(fā)電 機從電網(wǎng)解列引發(fā)弱電網(wǎng)更大的后繼故障。(2 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釋放剩余能量,抑制故障電流,保護(hù)勵磁 變頻器和直流母線電容的安全。(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 22.5倍額定轉(zhuǎn)矩 。(5延緩 DFIG 轉(zhuǎn)速上升,防止飛車。3 現(xiàn)有的低電壓穿越技術(shù)當(dāng)今電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力 不能低于被它取代的傳統(tǒng)發(fā)電方式,所以各國的風(fēng) 電設(shè)備生產(chǎn)商以及相關(guān)科研機構(gòu)都對風(fēng)電設(shè)備的故 障運行進(jìn)行了大量研究, 并提出了各種 LVRT

17、 技術(shù)。 本節(jié)首先介紹了無需增加硬件設(shè)備的改進(jìn)控制方法 技術(shù),然后按照硬件安裝位置的不同,分別介紹了 定子側(cè)、直流母線、轉(zhuǎn)子側(cè)以及變槳距四種通過增 加硬件設(shè)備實現(xiàn) LVRT 的方法。3.1 改進(jìn)的矢量控制和魯棒控制在 DFIG 運行控制中,傳統(tǒng)的基于定子磁場定 向或定子電壓定向的矢量控制方法得到了廣泛的應(yīng) 用。 在這種控制方式下一般采用 PI 調(diào)節(jié)器, 實現(xiàn)有 功、 無功功率獨立調(diào)節(jié), 并具有一定的抗干擾能力。 但是當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)較大幅度的跌落時, PI 調(diào)節(jié)器 容易出現(xiàn)輸出飽和,難以回到有效調(diào)節(jié)狀態(tài),使電 壓下降和恢復(fù)之后的一段時間內(nèi) DFIG 實際上處于 非閉環(huán)的失控狀態(tài)。 為了克服傳統(tǒng)矢

18、量控制的缺點, 國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的改進(jìn)控制策略,其中兩種 具有代表性:(1向大為等人提出一種改進(jìn)矢量控制策略 8, 如圖 4所示。 該方法針對對稱及不對稱故障下 DFIG 內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)特點,適當(dāng)控制勵磁電壓,使 之產(chǎn)生出與定子磁鏈暫態(tài)直流和負(fù)序分量相反的轉(zhuǎn) 子電流空間矢量及相應(yīng)的漏磁場分量,通過所建立 的轉(zhuǎn)子漏磁場抵消定子磁鏈中的暫態(tài)直流和負(fù)序分 量。如果將轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流幅值控制在 2.0 pu以內(nèi), 該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電壓驟降至 30%的故障下 DFIG 不 脫網(wǎng)運行,而且故障運行期間 DFIG 可基本不從電 網(wǎng)吸收無功。該方法的優(yōu)點是適用于各種類型的對 稱和不對稱電網(wǎng)故障, 缺點是 R

19、SC 的全部容量都用 來產(chǎn)生與定子磁鏈暫態(tài)分量相反的轉(zhuǎn)子電流,控制 效果受到變頻器容量的限制。(2 Manoj R Rathi等人提出一種基于 H 技術(shù)第 24卷第 9期賀益康 等 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述 143和 µ 分析方法設(shè)計的新型魯棒控制器 9,如圖 5所 示。 其中 GSC 檢測直流母線電壓和定子側(cè)端電壓幅 值的變化, 并產(chǎn)生相應(yīng)的電流指令對它們進(jìn)行補償; RSC 則檢測定子輸出的有功和無功的變化,并通過 轉(zhuǎn)子電流指令的變化對它們進(jìn)行補償。這種魯棒控 制器的優(yōu)點是降低了對系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感性,即 使在外部干擾和參數(shù)有誤差的情況下仍能保持良好 的控制效

20、果。 圖 4 低電壓穿越控制空間矢量圖Space-vector diagram of the LVRT control 圖 5 H 控制器框圖Fig.5 Block diagram of the H controller雖然改進(jìn)的矢量控制和魯棒控制無需增加任何 硬件設(shè)備,而是通過對 GSC 和 RSC 控制策略的改 進(jìn)使 DFIG 實現(xiàn) LVRT , 但其控制效果往往受到勵磁 變頻器容量的限制,因而在一些嚴(yán)重故障下無法實 現(xiàn) LVRT 運行,存在可行性區(qū)域的限制 8。 3.2 定子側(cè)方法 在采用硬件保護(hù)協(xié)助 DFIG 低電壓穿越的技術(shù) 中,定子側(cè)開關(guān)方法 10的基本思想是在電網(wǎng)電壓下 降期間采

21、用定子并網(wǎng)開關(guān)(如圖 1所示將 DFIG 定子從電網(wǎng)中暫時切除,直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)到一定 程度時再重新并網(wǎng)。在定子切除期間,勵磁變頻器 一直保持與電網(wǎng)連接,可利用 GSC 向電網(wǎng)提供無 功。這種方法的優(yōu)點是可以避免電網(wǎng)電壓的驟降和 驟升對 DFIG 的沖擊,但是它并非真正意義上的不 脫網(wǎng)運行, 實際上由于 GSC 的容量較小, 對電網(wǎng)恢 復(fù)的作用非常有限。加拿大 Janos Rajda等人提出另一種風(fēng)電機組 LVRT 裝置及其控制方法 11,該裝置由一系列與雙 向交流開關(guān)并聯(lián)的電阻陣列構(gòu)成,連接在 DFIG 定子與電網(wǎng)傳輸線之間,如圖 6所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓正 常時,所有交流開關(guān)導(dǎo)通;一旦檢測到電網(wǎng)

22、電壓下 降,則通過控制交流開關(guān)的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)整個裝置 的等效阻抗, DFIG 輸出的電流流過該阻抗后將提 高 DFIG 定子端電壓,從而保證 DFIG 端電壓在一 定的數(shù)值之上。這種方法的優(yōu)點是可以在電網(wǎng)電壓 跌落的情況下保持 DFIG 與電網(wǎng)的聯(lián)接,缺點是需 要使用了大量大功率晶閘管,硬件成本較高,且電 阻損耗大。圖 6 低電壓穿越用定子側(cè)電阻陣列Fig.6 Stator side resistance matrix for LVRT applicationC. Zhan和 P. S. Flannery等人提出使用一個額 外的電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器來提高 DFIG 機組的 LVRT 能力 12-1

23、3,如圖 7所示。這種電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器具 有以下幾個功能:(1對故障電壓進(jìn)行補償,保證 DFIG 定子電 壓的穩(wěn)定,相當(dāng)于一臺動態(tài)電壓恢復(fù)器。(2調(diào)節(jié) DFIG 定子磁鏈并使之保持穩(wěn)定,從 而減小甚至消除定子電壓突變引起的一系列暫態(tài)電 磁現(xiàn)象,如電磁轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子電流以及有功、無 功功率的振蕩。(3 將 DFIG 未能及時輸出的能量通過直流母 線環(huán)節(jié)輸送到電網(wǎng),防止直流母線電壓過高。這種 結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)零電壓穿越,具有優(yōu)良的 LVRT 能力, 是一種先進(jìn)的 LVRT 技術(shù),但也存在成本高、控制 復(fù)雜等問題。圖 7 具有電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器的 DFIG 系統(tǒng) Fig.7 DFIG system with

24、 a series grid side converter3.3 直流母線上方法電網(wǎng)電壓驟降之后, DFIG 的定、轉(zhuǎn)子繞組中 感生很大的故障電流,轉(zhuǎn)子故障電流流過直流母線144 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 2009年 9月電容,引起直流母線電壓的波動。又因為電網(wǎng)電壓 降低導(dǎo)致 GSC 控制直流母線電壓的能力減弱, 不能 及時將轉(zhuǎn)子側(cè)過剩的能量傳遞到電網(wǎng)上,可能導(dǎo)致 直流母線電壓快速泵升,危害直流母線電容安全。 為此有必要使用直流 Crowbar ,利用電阻吸收轉(zhuǎn)子 側(cè)多余的能量,防止直流母線電壓過高 14,如圖 8a 所示。直流 Crowbar 可以將母線電壓限制在一定的 數(shù)值以下,但是對于由電

25、網(wǎng)故障引起的直流母線電 壓降低則無能為力。針對直流 Crowbar 的上述缺點, C. Abbey等人 提出在電網(wǎng)電壓跌落期間使用 UPS (Uninterruptible Power Supply 來維持直流母線電壓至一定數(shù)值 15, 如圖 8b 所示。 UPS 中的 ESS (Energy Storage System 使用超級電容儲能,其優(yōu)點是既可以在直 流母線電壓過高的情況下吸收直流母線上能量,也 可以在直流母線電壓過低的情況下釋放能量,從而 可以維持直流母線電壓在一定的范圍之內(nèi)。它主要 的缺點是成本過高,限制了其大量應(yīng)用。 (a 直流 Crowbar (b 帶 UPS 的直流 Cro

26、wbar 圖 8 直流母線電容保護(hù)措施Fig.8 Protection methods for DC bus capacitor 3.4 轉(zhuǎn)子側(cè)方法電網(wǎng)電壓驟降時,為了保護(hù)勵磁變頻器,一種 常用的辦法是通過電阻短接轉(zhuǎn)子繞組以旁路 RSC , 為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條通路,即 Crowbar 電 路。適合于 DFIG 的 Crowbar 有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 16, 除了圖 1中最常見的二極管橋加可控器件結(jié)構(gòu)外, 圖 9中還給出了兩種典型結(jié)構(gòu)。 其中圖 9a 表示雙向 晶閘管型 Crowbar ,這種結(jié)構(gòu)最為簡單,但其不對 稱結(jié)構(gòu)易引起轉(zhuǎn)子電流中出現(xiàn)很大的直流分量,不 實 用 。 圖 9b 表 示

27、雙 向 晶 閘 管 并 帶 旁 路 電 阻 的 Crowbar , 除電路對稱外, 更可利用其電阻消耗轉(zhuǎn)子 側(cè)多余的能量,加快定、轉(zhuǎn)子故障電流的衰減。 各種轉(zhuǎn)子側(cè) Crowbar 的控制方式基本相似,即 當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流或直流母線電壓增大到預(yù)定的閾值時 觸發(fā)導(dǎo)通開關(guān)元件,同時關(guān)斷 RSC 中所有開關(guān)器 件,使得轉(zhuǎn)子故障電流流過 Crowbar ,旁路 RSC 。 Crowbar 中電阻 R crow 的選取有一定的原則, 即 R crow 越大,轉(zhuǎn)子電流衰減越快,電流、轉(zhuǎn)矩振蕩幅值也 越小,但過大 R crow 會導(dǎo)致 RSC 中功率開關(guān)器件和 轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生過電壓,并使直流母線電壓 V dc 振

28、 蕩幅值增大 17-18。使用 Crowbar 的優(yōu)點是可以確保 勵磁變頻器的安全,加快故障電流的衰減,缺點是 Crowbar 動作期間將短接 DFIG 轉(zhuǎn)子繞組,使 DFIG 變?yōu)椴⒕W(wǎng)籠型異步發(fā)電機,需從電網(wǎng)吸收大量無功 功率以作勵磁,這將不利于電網(wǎng)故障的迅速恢復(fù), 而且增加了硬件設(shè)備,使得控制更加復(fù)雜。此外 Crowbar 的投入和切除時刻選擇也十分重要,選擇 不當(dāng)將一方面引起 Crowbar 多次動作,另一方面可 能引起大電流沖擊,這也是 Crowbar 技術(shù)將要深入 研究的內(nèi)容。 (a 雙向晶閘管型 Crowbar (b 帶旁路電阻的 Crowbar 圖 9 兩種典型的 Crowbar

29、 電路Fig.9 Two typical kinds of Crowbar西班牙 GAMESA 公司提出一種包含無源壓敏 元件的鉗位單元 19,用于電網(wǎng)故障時為轉(zhuǎn)子繞組提 供鉗位電壓,并旁路 RSC 以保護(hù)勵磁變頻器,如圖 10所 示 。 這 種 鉗 位 單 元 的 原 理 與 上 述 轉(zhuǎn) 子 側(cè) Crowbar 相似,其優(yōu)點是可以在轉(zhuǎn)子繞組上提供適 當(dāng)?shù)你Q位電壓,將轉(zhuǎn)子繞組端電壓限制在一定范圍 內(nèi),避免過電壓問題。 圖 10 鉗位單元Fig.10 Clamping unit3.5 變槳距技術(shù)變槳距可使槳葉的節(jié)距角(氣流方向與葉片橫 截面的弦的夾角在 0°90°的范圍內(nèi)變化

30、,以使 風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能相對穩(wěn)定,并保持在發(fā)電機容量允 許的范圍以內(nèi)。 DFIG 的轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機輸入功 率和 DFIG 輸出功率之差,電網(wǎng)電壓驟降之后,若 風(fēng)輪的輸入功率不變,由于 DFIG 輸送至電網(wǎng)功率 的減小, 不平衡的功率將導(dǎo)致 DFIG 轉(zhuǎn)速快速升高,第 24 卷第 9 期 賀益康等 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述 145 此時應(yīng)及時增大槳葉節(jié)距角以減小風(fēng)力機的輸入功 率，從而阻止機組轉(zhuǎn)速上升，即實行變漿距控制。 典型的變槳距控制方法如圖 11 所示 20 （4） 對電網(wǎng)電壓故障的快速檢測以及對故障類 型的準(zhǔn)確鑒別是 LVRT 運行控制的基礎(chǔ)，因此對含 有正、負(fù)序分

31、量及諧波成分的復(fù)雜電網(wǎng)條件下的快 速鎖相檢測技術(shù)的研究至關(guān)重要，也是 LVRT 技術(shù) 的重要組成部分。 （5）研制各種低成本、高可靠性、控制簡單的 保護(hù)裝置，以確保嚴(yán)重故障下 DFIG 特別是勵磁變 頻器的安全，是低電壓穿越成功與否的關(guān)鍵。以上 提及的各種保護(hù)裝置各有利弊，可以聯(lián)合使用以結(jié) 合其優(yōu)點，從而滿足當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的 LVRT 技術(shù)規(guī)范。 （6）研究電網(wǎng)故障下的快速無功補償策略和 相關(guān)的電力電子穩(wěn)壓裝置，減小電壓驟降對 DFIG 機組的沖擊，并利用 DFIG 幫助穩(wěn)定及恢復(fù)故障電 網(wǎng)電壓，是一種可行的先進(jìn)控制思想。 ，電網(wǎng)正常 情況下，根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距角 ，使 DFIG 在一定轉(zhuǎn) 速范圍內(nèi)實

32、現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的變速恒頻發(fā)電；一旦 檢測到電網(wǎng)電壓驟降， 則馬上啟用槳距角緊急控制， 根據(jù)故障時給定的風(fēng)力機極限功率來計算風(fēng)能利用 系數(shù) cp_lim，然后查表得出槳距角參考值，通過減小 風(fēng)電機組的輸入功率來適應(yīng)電網(wǎng)故障下輸出電能的 減小。該方法的優(yōu)點是可以防止電網(wǎng)故障時 DFIG 的轉(zhuǎn)速突升事故，缺點是要增加一套變槳距調(diào)節(jié)機 構(gòu)，增大了控制復(fù)雜性和故障發(fā)生的幾率，特別是 對于電伺服的槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)隱患更大。電網(wǎng)正常時 變槳距機構(gòu)可由電網(wǎng)提供電力工作， 電壓跌落之后， 則需要采用備用電源供電，進(jìn)一步增加了成本和復(fù) 雜程度。 5 結(jié)論 隨著以 DFIG 為主體的大型風(fēng)力發(fā)電機組裝機 容量的不斷增加

33、， 提高 DFIG 在電網(wǎng)故障下的 LVRT 能力顯得尤為重要。本文提出了 LVRT 運行的控制 目標(biāo)，系統(tǒng)地總結(jié)和評價了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界 圖 11 Fig.11 變槳距控制框圖 在 DFIG 風(fēng)電機組的故障運行控制和保護(hù)方面的研 究成果，并預(yù)測了 LVRT 技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，可 為后續(xù)研究和工程應(yīng)用提供參考和借鑒。 參考文獻(xiàn) 1 Chinese wind energy association. Joint memorandum on realising the opportunities and potential of the chinese wind marketOL. May,

34、2007, Http:/www. dum.pdf 2 Anca D Hansen, Lars H Hansen. Wind turbine concept market penetration over 10 years (19952004J. Wind Energy, 2007, 10(1: 81-97. 3 Clements Ackermann, Jauch, et al. Julija Matevosyan, Thomas of International comparison Block diagram of pitch angle control 4 低電壓穿越技術(shù)的發(fā)展方向 通過以

35、上對變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低 電壓穿越技術(shù)的分析，并結(jié)合我國風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)狀，預(yù)計今后該技術(shù)將會圍繞以下幾個方面展開 研究： （1） 建立適合我國電網(wǎng)實際情況的 LVRT 技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)， 使風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)商和風(fēng)電場開發(fā)商有據(jù)可依。 在較強電網(wǎng)地區(qū)，可以適當(dāng)放寬 LVRT 要求，從而 降低工程成本；在弱電網(wǎng)地區(qū)則需執(zhí)行嚴(yán)格的 LVRT 標(biāo)準(zhǔn)，確保電網(wǎng)與機組的安全。 （2） 由于 DFIG 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制本質(zhì) 上是對勵磁變頻器的控制，所以針對各種電網(wǎng)故障 情況的 DFIG 改進(jìn)控制策略將是未來低電壓穿越技 術(shù)研究的重點。特別是在不太嚴(yán)重的電網(wǎng)故障情況 下，可優(yōu)先采用不增加硬件的改進(jìn)控

36、制方法。 （3） 現(xiàn)有的 DFIG 及勵磁變頻器的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模 型尚不夠精確，未能真實反應(yīng) DFIG 機組在各種電 壓故障條件下的電磁響應(yīng)，影響到控制策略和保護(hù) 裝置設(shè)計的準(zhǔn)確性。所以構(gòu)建包含保護(hù)裝置（如 Crowbar）在內(nèi)的 DFIG 系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，將成 為 LVRT 技術(shù)研究的重要內(nèi)容。 requirements for connection of wind turbines to power systemsJ. Wind Energy, 2005, 8(3: 295-306. 4 Vicatos M S, Tegopoulos J A. Transient state analys

37、is of a doubly-fed induction generator under three phase short 5 circuitJ. IEEE Transaction on Energy Conversion, 1991, 6(1: 62-68. Johan Morren, Sjoerd W H de Haan. Short-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generatorJ. IEEE Transaction on Energy Conversion, 146 2007, 22(1: 17

38、4-180. 6 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 2009 年 9 月 Power Conversion Conference, Nagoya, Japan, 2007: 1195-1200. 15 Abbey C, Joos G. Effect of low voltage ride through (LVRT characteristic on voltage stabilityC. IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2005, 2: 1901-1907. 16 李 建 林 , 趙 棟 利 , 李 亞 西 , 等 . 適 合 于 變 速

39、 恒 頻 雙 饋感應(yīng)發(fā)電機的 Crowbar 對比分析J. 可再生能源, 2006 (5: 57-60. Li Jianlin, Zhao Dongli, Li Yaxi, et al. Analyze of crowbar circuit for variable speed constant frequency doubly fed induction generatorJ. Renewable Energy, 2006 (5: 57-60. 17 Miguel Rodriguez, Gonzalo Abad, Izaskun Sarasola, et al. Crowbar contro

40、l algorithms for doubly fed induction generator during voltage dipsC. 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, 2005: 1-10. 18 Morren J, de Haan S W H. Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dipJ. IEEE Transaction on Energy Conversion

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42、nterrupted operation during grid faultsJ. Wind Energy, 2007, 10(1: 51-68. 作者簡介 賀益康 男，1941 年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電機及 Dittrich A, Stoev A. Comparison of fault ride-through strategies for wind turbines with DFIM generatorsC. 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, 2005. 7 Wind farm power station grid code provisions (2004. and Pricing/WFPS1.pdf 8 Xiang D