直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)

摘要：為提高直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的故障穿越能力，采用直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)Crowbar電路，使電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)機(jī)能夠正常運(yùn)行，故障消除后系統(tǒng)能快速恢復(fù)至額定輸出。在電壓跌落期間，控制網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無(wú)功功率，即運(yùn)行STATCOM模式，快速向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，幫助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)。據(jù)此提出基于Crowbar卸荷電路和STATCOM運(yùn)行策略的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越(LVRT)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 　　1引言 　　隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提出了新的要求，即LVRT能力。由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)需高速齒輪組，其運(yùn)行效率高，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，因此引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。尤其是發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率整流器與電網(wǎng)隔離，故應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的能力更強(qiáng)，與DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，更容易實(shí)現(xiàn)LVRT。 　　2原理與設(shè)計(jì) 　　直驅(qū)系統(tǒng)在電壓跌落期間實(shí)現(xiàn)其故障穿越，可通過(guò)以下兩方面完成： 　?、僭谥绷鱾?cè)增加Crowbar電路，即直流電壓斬波電路。電壓跌落期間，變流器的輸出電流會(huì)迅速增大，當(dāng)增加到變流器的限流閾值時(shí)，其功率輸出達(dá)到極限，此時(shí)輸出功率將小于輸入功率，直流母線電壓將會(huì)升高。該方法可匹配變流器無(wú)法輸出的那部分功率，從而維持功率守恒，限制直流母線電壓的增加； 　?、谠陔妷旱淦陂g，控制網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無(wú)功功率即運(yùn)行STATCOM模式，快速向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，幫助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)。 　　典型的直流電壓Crowbar電路如圖1所示。該電路實(shí)現(xiàn)電阻變換模塊的原理是：在保持直流電壓恒定的條件下，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比，實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出，等效于直流側(cè)的一個(gè)可變電阻。 　　控制網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行STATCOM模式的核心問(wèn)題是在變流器功率等級(jí)一定的條件下如何分配有、無(wú)功的電流指令。變流器輸出功率不僅受網(wǎng)側(cè)電壓的限制，而且受變流器輸出最大電流Ismax的限制。設(shè)，id，iq分別為有、無(wú)功電流。無(wú)功指令可根據(jù)電壓跌落的程度向電網(wǎng)輸出不同的無(wú)功功率，跌落越嚴(yán)重，變流器提供的無(wú)功越大，從而幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。圖2提供了一種帶有Crowbar保護(hù)的STATCOM運(yùn)行控制算法。 　　3直驅(qū)系統(tǒng)整機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 　　實(shí)驗(yàn)條件：在機(jī)側(cè)，原動(dòng)機(jī)額定參數(shù)AC380V／5kW，永磁電機(jī)額定參數(shù)380V／5kW，齒輪箱變比7．5：1，轉(zhuǎn)子磁鏈ψ=3．5Wb；在網(wǎng)側(cè)，輸入電壓AC380V／50Hz，自耦調(diào)壓器輸出AC380V／15kW，變流器電感1．86mH，直流母線電壓600V。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 　　為測(cè)定直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整機(jī)實(shí)驗(yàn)的正確性，這里通過(guò)測(cè)量機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率并根據(jù)功率守恒進(jìn)行判斷。設(shè)定永磁電機(jī)輸出功率1kW，轉(zhuǎn)速為90r·min-1(原動(dòng)機(jī)變頻器頻率22．5Hz)，電磁轉(zhuǎn)矩-19．3N·m。根據(jù)永磁電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，計(jì)算出永磁直驅(qū)電機(jī)輸出電流理論值為3．2A。 　　根據(jù)系統(tǒng)功率守恒，計(jì)算出網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流理論值為1．52A。整理參數(shù)如下：在機(jī)側(cè)：輸入功率理論值1kW，轉(zhuǎn)矩理論值-19．3N·m，變頻器頻率理論值15．5Hz，輸出電流理論值3．7A，測(cè)試值3．6A，輸出電流頻率8．2Hz，測(cè)試值8．8Hz；在網(wǎng)側(cè)：輸出功率理論值1kW，測(cè)試值967W，母線電壓理論值600V，測(cè)試值599V，q軸電流為零，輸出電流理論值1．52A，測(cè)試值1．5A。 　　圖4為控制永磁電機(jī)發(fā)出1kW功率條件下的實(shí)驗(yàn)波形。變流器空載運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器電流ia大小并不為零，這是因?yàn)橄到y(tǒng)本身會(huì)消耗一定量的有功，在發(fā)電機(jī)投入發(fā)電時(shí)，有功電流由網(wǎng)側(cè)提供，也說(shuō)明網(wǎng)側(cè)變流器具有四象限運(yùn)行能力。對(duì)比圖4a，b可見(jiàn)，機(jī)側(cè)輸出電流的諧波含量要遠(yuǎn)小于網(wǎng)側(cè)，這主要是因?yàn)樾」β视来烹姍C(jī)定子繞組電感量較網(wǎng)側(cè)變流器電感大得多，故提高網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量的方式是增大網(wǎng)側(cè)電感的感抗，但會(huì)犧牲變流器效率，影響電感使用壽命。 　　圖5為變流器80％額定功率下的實(shí)驗(yàn)波形。由圖5a可見(jiàn)，Udc在啟動(dòng)瞬間緩慢爬升至100V，且沖擊很小，變流器啟動(dòng)電流約為工作電流1．5倍。由圖5b可見(jiàn)，當(dāng)變流器輸出功率變大后，較小功率條件下電流的諧波含量明顯減小。 　　4結(jié)論 　　在直流母線增加Crowbar卸荷電路，平衡輸入輸出功率，維持直流母線電壓穩(wěn)定，減小網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知Crowbar卸荷能夠有效改善跌落和恢復(fù)瞬間的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)效果，減小控制系統(tǒng)的振蕩。