雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組電網(wǎng)故障穿越技術(shù)研究

　　這篇風(fēng)力發(fā)電工程師論文發(fā)表了風(fēng)力發(fā)電在我國的快速發(fā)展技術(shù)研究，近年來，風(fēng)力發(fā)電在我國快速發(fā)展，截止到2016年上半年，我國累計并網(wǎng)裝機容量達(dá)137億千瓦。在成為風(fēng)力發(fā)電大國的同時，快速增加的風(fēng)電滲透率增大了電力系統(tǒng)的安全隱患，電網(wǎng)故障后，傳統(tǒng)的風(fēng)機切機模式已不能滿足電力系統(tǒng)的運行要求。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電工程師論文,雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機,頻率穿越,低電壓穿越

　　目前，DFIG由于容量大、可實現(xiàn)有功和無功解耦等優(yōu)點，成為我國風(fēng)力發(fā)電機的主流機型。電網(wǎng)故障穿越可分為電壓穿越和頻率穿越[4]。常規(guī)同步發(fā)電機、風(fēng)機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率存在耦合關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會隨之變化，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子動能改變，通過吸收或釋放轉(zhuǎn)子動能，阻止系統(tǒng)頻率的快速變化。而DFIG采用電力電子變換器能夠靈活的調(diào)節(jié)有功、無功，實現(xiàn)有功、無功解耦，失去常規(guī)同步發(fā)電機組所具備的調(diào)頻能力[46]。

　　自2011年以來，國內(nèi)外發(fā)生了多起大規(guī)模風(fēng)電機組脫網(wǎng)事故，通過對事故進(jìn)行研究，根本原因是風(fēng)力發(fā)電機組沒有電網(wǎng)故障穿越能力。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者為研究DFIG電網(wǎng)故障穿越措施進(jìn)行了大量的工作。賀益康等人[2]通過在網(wǎng)側(cè)變換器處添加蓄電池儲能環(huán)節(jié)，建立帶有儲能設(shè)備的虛擬同步發(fā)電機，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率跌落時，向電網(wǎng)輸送有功功率來穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，實現(xiàn)同步發(fā)電機的調(diào)頻特性，但是成本高，而且風(fēng)力發(fā)電機組所受風(fēng)力實時變化，所以等值模型不固定，控制策略繁瑣;劉東霖等人[5]提出為增大備用容量，可使風(fēng)機不運行在最大功率追蹤模式(maximum power point tracking，MPPT)，而是沿次優(yōu)功率曲線運行，當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落時，風(fēng)機運行方式向最優(yōu)功率曲線方式變換;徐殿國等人[7]提出了基于被動式Crowbar電路的DIFG低電壓穿越技術(shù)。

　　上述研究方法在一定程度上提升了風(fēng)力發(fā)電機組的持續(xù)并網(wǎng)與調(diào)節(jié)能力，但其成本和實踐結(jié)果還不能滿足電網(wǎng)對日益增加的風(fēng)電機組的依賴要求。因此，本文對原有風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)與原理進(jìn)行研究，結(jié)合DFIG系統(tǒng)原有控制策略的特點，提出了一種新的復(fù)合頻率控制策略，提升了DFIG的調(diào)頻能力;添加主動式Crowbar電路;提升了DFIG低電壓穿越能力，仿真結(jié)果驗證了所提方案的有效性。該研究對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

　　1頻率穿越

　　頻率穿越[8]被提出后還沒有明確定義，但很多國家對于電網(wǎng)故障后的風(fēng)機持續(xù)運行和頻率偏差都做了要求。目前，頻率穿越工作是研究風(fēng)力發(fā)電機組的一次調(diào)頻，實現(xiàn)風(fēng)機持續(xù)并網(wǎng)，主要幫助恢復(fù)電網(wǎng)頻率。

　　1.1虛擬慣量響應(yīng)控制

　　雖然雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間失去了耦合關(guān)系，但DFIG釋放動能的潛力巨大，對DFIG系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量不容忽視[910]。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機虛擬慣量響應(yīng)控制直接引入有功功率補充，將有功功率差值引入到DFIG控制策略的功頻特性對應(yīng)的OverFreq Pwr Reduction模塊。通過觀察DFIG控制原理圖，當(dāng)直接進(jìn)行有功功率補充后，還需聯(lián)系PQ控制模塊、轉(zhuǎn)子電流控制模塊等到達(dá)DFIG電磁控制模塊，相對繁瑣且當(dāng)某一控制模塊發(fā)

　　由于P=wT，又因為DFIG系統(tǒng)的變頻器可以控制交流勵磁電流改變瞬時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，且在DFIG控制策略中機械轉(zhuǎn)矩控制模塊直接與DFIG電磁控制模塊相連。因此，本文提出補充轉(zhuǎn)矩的虛擬慣量響應(yīng)控制，當(dāng)獲得轉(zhuǎn)矩補充控制目標(biāo)后，可將其引入風(fēng)機原有控制策略中。轉(zhuǎn)矩補充控制框圖如圖1所示，將圖1中紅線框所示的轉(zhuǎn)矩補充控制策略引入原有DFIG控制策略的功頻特性對應(yīng)的Mechanics模塊。

　　圖1中，紅線框內(nèi)為轉(zhuǎn)矩補充控制策略框圖，其中上支路為引入Δf的轉(zhuǎn)矩補充方式，下支路為引入df/dt的轉(zhuǎn)矩補充方式，C為電網(wǎng)額定頻率。上、下支路轉(zhuǎn)矩補充控制目標(biāo)函數(shù)T1和T2分別為

　　T1=KpΔf=Kp(fmeas-fc)， T2=9 550n×Ksdfdt(1)

　　式中，Δf為電網(wǎng)頻率偏差;fc為電網(wǎng)額定頻率，fc=50 Hz;fmeas為電網(wǎng)頻率實際測量值;Kp、Ks為控制系數(shù);n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。為獲得更好的頻率控制效果，本文將同時引入Δf和df/dt，并進(jìn)行仿真驗證。

　　1.2槳距角控制

　　風(fēng)力發(fā)電機一般以最大功率追蹤的方式運行，使風(fēng)機放棄最大功率追蹤運行模式[10]，以次優(yōu)功率追蹤運行模式，實現(xiàn)有功功率備用。然而此方法獲得有功功率備用是以風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子超速減載來實現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上限值的控制，這種方法只適合風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速以下的情況。為實現(xiàn)DFIG系統(tǒng)便捷的具備有功功率備用容量，對風(fēng)力發(fā)電機的功率方程進(jìn)行分析。風(fēng)力機的輸入功率[2]為

　　Pv=12(ρSwv)v2=12ρSwv3(2)

　　風(fēng)能利用系數(shù)[2]為

　　Cp=PoPv(3)

　　所以，風(fēng)力機輸出機械功率[2]為

　　Po=12ρSwCpv3=12ρπR2Cp(λ，β)v3(4)

　　式中，ρ為空氣密度;Sw為風(fēng)力機葉片迎風(fēng)掃掠面積;v為進(jìn)入風(fēng)力機掃掠面之前的空氣流速(即未擾動風(fēng)速);λ為葉尖速比;β為槳距角。

　　由式(5)可知，可改變的是與風(fēng)機輸出功率相關(guān)的槳距角β，槳距角β與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)λ為定值時，β越大，Cp越小，因此Po越小，風(fēng)力發(fā)電機的槳距角為0°時，Po最大。因此，通過設(shè)定風(fēng)機葉片槳距角初始值，降低機組有功出力，使風(fēng)機留有一定的備用有功容量，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時起到有功功率補充的作用，可實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。槳距角控制框圖如圖3所示。

　　2低電壓穿越

　　低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動引起風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機組能不間斷并網(wǎng)運行[2]。同時，在電網(wǎng)故障期間，電網(wǎng)可以輸送一定的無功功率，以幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，當(dāng)電網(wǎng)故障消除后，需立即向電網(wǎng)輸送有功功率[1215]。部分國家對LVRT技術(shù)基本要求如表1所示。圖535 kV無窮大電網(wǎng)仿真模型為實現(xiàn)Crowbar電路的快速投切，通過添加絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件構(gòu)成主動式Crowbar電路，主動式Crowbar電路如圖4所示。電網(wǎng)故障一旦消除，就可以分別對機側(cè)變換器與主動式Crowbar裝置的IGBT觸發(fā)信號，前者IGBT導(dǎo)通，后者IGBT關(guān)斷，實現(xiàn)了及時向電網(wǎng)輸送有功功率。同時，故障期間直流母線電容與網(wǎng)側(cè)變換器構(gòu)成靜止無功補充器，向電網(wǎng)輸送無功[1920]。

　　3仿真結(jié)果

　　在DIgSILENT/PowerFactory平臺下，搭建1臺5 MW的等值雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機及35 kV無窮大電網(wǎng)的仿真模型，無窮大電網(wǎng)仿真模型如圖5所示。

　　對于虛擬慣量響應(yīng)控制，分別引入和同時引入頻率偏差Δf和頻率變化率df/dt，不同控制策略仿真結(jié)果如圖6所示。本文提出虛擬慣量響應(yīng)控制和槳距角控制組成的復(fù)合頻率控制，為獲得附加不同控制策略時的對比結(jié)果，明晰何種策略更優(yōu)，對不同控制策略進(jìn)行仿真測試，轉(zhuǎn)矩補充控制仿真結(jié)果如圖7所示。

　　對于低電壓穿越，設(shè)置電網(wǎng)在3 s時發(fā)生三相短路故障，并網(wǎng)點電壓跌落至02 p.u持續(xù)05 s，加主動式Crowbar前后輸出有功如圖8所示;加主動式Crowbar前后輸出無功如圖9所示。

　　圖9加主動式Crowbar前后輸出無功由圖8和圖9可以得出，通過補充轉(zhuǎn)矩增加DFIG的虛擬慣量及設(shè)置初始槳距角增加備用有功兩者共同作用的復(fù)合頻率策略，在提升跌落度與穩(wěn)態(tài)值方面改善DFIG的調(diào)頻能力;主動式Crowbar電路投切速度迅速，將其模塊引入Protection策略后，在電網(wǎng)故障消除后可立即向電網(wǎng)輸送有功，而在故障期間可向電網(wǎng)輸送無功。

　　4結(jié)束語

　　本文對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的頻率穿越(電網(wǎng)故障后頻率調(diào)控)和低電壓穿越進(jìn)行了研究，利用DIgSILENT/PowerFactory軟件，對電網(wǎng)發(fā)生短路故障后引起的電網(wǎng)電壓跌落過程及頻率跌落過程進(jìn)行仿真，驗證了當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，引起電網(wǎng)頻率跌落時復(fù)合頻率控制策略具有更好的頻率穩(wěn)定控制性能，主動式Crowbar電路可以使DFIG在電網(wǎng)故障期間持續(xù)運行并可功率支撐的作用。復(fù)合頻率控制策略是建立在風(fēng)力發(fā)電機組本身的控制策略基礎(chǔ)上，只需要優(yōu)化控制策略，而不需要添加外部硬件電路，在起到頻率調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上節(jié)約了成本，具有良好工程實踐應(yīng)用前景;主動式Crowbar電路，在原先被動式Crowbar電路的基礎(chǔ)上添加IGBT器件，易于實現(xiàn)。但是隨著風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)容量的快速增加，電力系統(tǒng)對于風(fēng)力發(fā)電機組的頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度也產(chǎn)生更高的要求，如何使DFIG快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的偏移，并實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。同時，使DFIG在電網(wǎng)故障期間也能向電網(wǎng)輸送有功是下一步需要研究的重點。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]中國風(fēng)能協(xié)會. 2016年上半年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計[R]. 北京： 中國風(fēng)能協(xié)會， 2016.

　　[2]賀益康， 胡家兵， 徐烈. 并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機運行控制[M]. 北京： 中國電力出版社， 2012.

　　[3]朱曉榮， 趙猛， 王毅. 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組復(fù)合頻率控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2012， 40(8)： 2024.

　　[4]艾斯卡爾， 朱永利， 唐斌偉. 風(fēng)力發(fā)電機組故障穿越綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2013， 41(19)： 147153.

　　[5]劉東霖， 王倩. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組虛擬慣性控制研究[J]. 電測與儀表， 2016， 53(14)： 4650.

　　推薦閱讀：《云南水力發(fā)電》(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，由云南水力發(fā)電工程學(xué)會主辦。本刊宗旨是宣傳黨和國家的能源，水電建設(shè)方針政策，論述云南水電資源的開發(fā)在國家能源開發(fā)和國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要作用。

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/17822.html