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風力發電低電壓穿越技術

2011-05-24 來源:合肥工業大學電氣工程學院 瀏覽數:3021

  如減小同步機電磁轉矩設定值, 這樣會引起發電機的轉速上升, 從而達到允許轉速的暫時上升來儲存風機部分輸入能量, 這有效地減小了發電機的輸出功率。如果故障不嚴重, 可以不采取變槳控制;一旦電機轉速上升過多或不便用上升轉速來儲存能量可以直接采取變槳控制。變槳可從根本上減小風機的輸入功率, 有利于電壓跌落時的功率平衡。這種策略結合增加器件容量的方法可進一步提高穿越裕度。
  對于更長時間的深度故障, 可以考慮采用額外電路單元儲存或消耗多余能量。文獻[7, 11 ] 給出兩種外接電路單元實現LVRT 的方案, 如圖3 所示。圖3 (a) 為在DC2link 上接一個儲能系統, 當檢測直流電壓過高則觸發儲能系統的IGBT , 轉移多余的直流儲能, 故障恢復后將所儲存的能量饋入電網。圖3 (b) 采用Buck 變換器, 直接用電阻消耗多余的DC2link 能量。
  程中, 電機電磁轉矩會出現較大的波動, 對風機齒輪箱等機械部件構成沖擊, 影響風機的運行和壽命。定子電壓跌落時, 電機輸出功率降低, 若對捕獲功率不控制, 必然導致電機轉速上升[5~ 7]。在風速較高即機械動力轉矩較大的情況下, 即使故障切除, 雙饋電機的電磁轉矩有所增加, 也難較快抑制電機轉速的上升, 使雙饋電機的轉速進一步升高,吸收的無功功率進一步增大, 使得定子端電壓下降, 進一步阻礙了電網電壓的恢復, 嚴重時可能導致電網電壓無法恢復, 致使系統崩潰[ 9, 10 ] , 這種情況與電機慣性、額定值以及故障持續時間有關。

   2. 2 PMSG 的暫態現象
  對于PM SG, 定子經ACöD CöA C 變流器與電網相接, 發電機和電網不存在直接耦合。電網電壓的瞬間降落會導致輸出功率的減小, 而發電機的輸出功率瞬時不變, 顯然功率不匹配將導致DC2link (直流母線) 電壓上升[ 7, 11, 12 ] , 這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩定DC2link 電壓, 必然會導致輸出到電網的電流增大, 過大的電流同樣會威脅變流器的安全。當變流器直流側電壓在一定范圍波動時, 電機側變流器一般都能保持可控性, 在電網電壓跌落期間, 電機仍可以保持很好的電磁控制。所以同步直驅系統的LVRT 實現相對DF IG 而言較為容易[ 13 ]。
  3 LVRT 的實現方法
  3. 1 FSIG 的LVRT 實現
  電壓跌落期間FS IG 的主要問題是電磁轉矩衰減導致轉速的飛升。其簡單的結構使得能采取的措施也很有限。最簡單的方法是在可靠判斷出故障后, 利用快速變槳來減小輸入機械轉矩, 限制轉速上升[ 5, 7 ]。但風機槳葉具有很大的慣性, 該方案需要風機有很好的變槳性能。
  變槳控制不足之處在于無法提供無功以支持電網恢復, 鼠籠電機的運轉反而需要吸收電網的無功。一般減少無功吸收的方法是按最大功率輸出安裝電容器組。但在風力發電這種能量波動大的場合會帶來系統電壓的波動, 且會磨損發電機械, 故障時臨近母線會出現過電壓, 因此文獻[14 ] 提出采用靜態無功補償SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安裝一個靜態無功補償器, 實時補償所需無功。研究結果顯示, 穩態運行波形得到改善, 提高了故障穿越能力。
  文獻[16 ] 提出采用靜態同步補償器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)來調節電壓, 其研究結果顯示在適當的額定功率下, 該方案可以實現低電壓穿越。與靜態無功補償器相比, 該方法的補償電流不依賴于連接點電壓,所以補償電流在電壓下降時不會降低。然而, 由于成本的原因, 這一方案難以工程化。總的來說,DF IG 在電壓跌落時面臨的問題不是很大, 其LVRT 實現可以配合變槳和其他措施實現。
  3. 2 PM SG 的LVRT 實現
  電壓跌落期間PM SG 的主要問題在于能量不匹配導致直流電壓的上升。可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。這種設計的效果需要考慮成本、電網規范以及故障深度和時間。可以考慮從變流器設計入手[ 11 ] , 選擇器件時放寬電力電子器件的耐壓和過流值, 并提高直流電容的額定電壓。這樣在電壓跌落時可以把DC2link的電壓限定值調高, 以儲存多余的能量, 并允許網側逆變器電流增大, 以輸出更多的能量。但是考慮到器件成本, 增加器件額定值是有限度的, 而且在長時間和嚴重故障下, 功率不匹配會很嚴重, 有可能超出器件容量, 因此這種方法較適用于短時的電壓跌落故障。
  上面的方法考慮增大功率輸出和儲能以解決功率匹配。同樣可以考慮減小電機的發電功率來平衡功率[ 11, 12 ]。

【延伸閱讀】

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