幾種雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)對比分析

　　1 引言

　　并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是近十年來國際上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備最大的區(qū)別在于，其在電網(wǎng)故障期間并不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常不利。電網(wǎng)故障是電網(wǎng)的一種非正常運行形式，主要有輸電線路短路或斷路，如三相對地，單相對地以及線間短路或斷路等，它們會引起電網(wǎng)電壓幅值的劇烈變化。

　　雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組是目前國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型，其發(fā)電設(shè)備為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，現(xiàn)有的保護(hù)原則是將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)立即從電網(wǎng)中脫網(wǎng)以確保機(jī)組的安全。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。人們越來越擔(dān)心，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行（faultride-through），并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，也就是說，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定低電壓穿越（lowvoltageride-through）能力。為此，國際上已有一些新的電網(wǎng)運行規(guī)則被提出。例如德國北部的電力公司（e.onnetz公司）要求風(fēng)電場能夠在圖1所示的電壓范圍內(nèi)（即圖中陰影區(qū)）不脫網(wǎng)運行［1］［33］，電網(wǎng)電壓跌落到15%以后風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運行時間須持續(xù)達(dá)300ms，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于曲線后才允許風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。這里電壓指的是風(fēng)電場連接點的電壓。而為英國部分地區(qū)供電的nationalgrid電力公司則要求當(dāng)高于200kv的輸電線路發(fā)生故障時，所有并網(wǎng)運行的電站或風(fēng)電場必須在140ms內(nèi)保持不脫網(wǎng)運行［2］。另外蘇格蘭電力公司（scottishhydro-electric公司）對電網(wǎng)故障時電站或風(fēng)電場不脫網(wǎng)運行也有類似的要求［3］。

　　圖1e.onnetz公司對電網(wǎng)故障時風(fēng)電場不脫網(wǎng)運行的電壓范圍要求［33］

　　為了提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，必須針對當(dāng)前主流風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運行特點進(jìn)行研究，研究它們在電網(wǎng)故障與故障恢復(fù)過程中的暫態(tài)行為，消除或減輕在不離網(wǎng)控制情況下可能引起的機(jī)組損害。許多文獻(xiàn)［4-7］報道了在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產(chǎn)生振蕩。這是因為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉(zhuǎn)子過壓與過流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因為在定子電壓中含有負(fù)序分量，而負(fù)序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。為了保護(hù)發(fā)電機(jī)勵磁變流器，采用過壓、過流保護(hù)措施勢在必行。

　　為了保證電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及其勵磁變流器能安全不脫網(wǎng)運行，適應(yīng)新電網(wǎng)運行規(guī)則的要求，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)原理與控制策略進(jìn)行了大量研究。據(jù)文獻(xiàn)的報道，當(dāng)前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)（crowbarprotection），二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵磁控制算法。下面逐一分析介紹。