Low Voltage Ride- through Technolog ies inWind Turbine Generation

   

　　ZHAN G Xing1, ZHAN G Long2yun1, YAN G Shu2ying1, YU Yong2, CAO Ren2x ian2

    

　　(1. Schoo l of Elect rical Engineering,HefeiU n iversity of techno logy, Hefei 230009, Ch ina; 2. Hefei Sungrow Pow er Supp ly L td. , Hefei 230088, China)

   

　　Abstract: In recent years, the p ropo rt ion of the w ind pow er in the grid is increasing rap idly. When the grids faults results in vo ltage decline, the w idesp read t ripp ing of w ind generato rs could lead to t ransient instabilities and local o r overall blackouts. So it is concerned that thew ind turbinesmerge into the grid, and the request of the low vo ltage ride th rough (LVRT ) ability is p ropo sed. Th is paper analysises the t ransient responses of three w idely used w ind turbine, including fixed speed induct ion generato r (FS IG) , permanent magnetic synch ronous generato r (PM SG) and doubly2fed induct ion generato r (DF IG) , and summarizes the LVRT methods adop ted home and abroad. The LVRT methods of DF IG are mainly discussed, w h ich is must difficalt.

    

　　当今世界风电市场发展迅猛, 风电场装机容量逐年上升, 尤其是在欧美的一些发达国家, 风力发电所占电网供电比例已经非常高, 如丹麦已超过20%。因此, 必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响[ 1, 2 ]。为此各国电网公司依据自身实际对风电场ö风电机组并网提出了严格的技术要求。包括低电压穿越能力、无功控制能力、有功功率变化率控制和频率控制等。其中LVRT 被认为是风电机组设计制造控制技术上的最大挑战, 直接关系到风机的大规模应用。

     

　　低电压穿越LVRT , 指在风机并网点电压跌落的时候, 风机能够保持并网, 甚至向电网提供一定的无功功率, 支持电网恢复, 直到电网恢复正常, 从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

    

　　电压跌落会给电机带来一系列暂态过程, 如出现过电压、过电流或转速上升等, 严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列, 并不考虑故障的持续时间和严重程度, 这样能最大限度保障风机的安全, 在风力发电的电网穿透率(即风力发电占电网的比重) 较低时是可以接受的。然而, 当风电在电网中占有较大比重时, 若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列, 则会增加整个系统的恢复难度, 甚至可能加剧故障, 最终导致系统其它机组全部解列, 因此必须采取有效的LVRT措施, 以维护风场电网的稳定。

    

　　目前市场上风机类型可概括为三类, 即直接并网的定速异步机FS IG (f ixed speed induct iongenerato r)、同步直驱式风机PM SG (permanent magnet ic synch ronou s genera to r) 和双馈异步式风机DF IG (doub ly2fed induct ion generato r)。本文就这三种风机类型分析电网电压跌落引起的暂态过程, 综述了目前一些主要的LVRT 实现方案, 并重点讨论了DF IG 的LVRT 方案。

    

　　1　LVRT 功能简介

   

　　LVRT 是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家(和地区) 所提出的LVRT 要求不尽相同[ 3, 4 ]。在德国北部, 风机密度很高, 电网经营商E. ON N etz 对风电场ö风力机组的LVRT 要求如图1 所示。

    

      

图1　德国E. ON Netz 公司的LVRT 要求 Fig. 1　LVRT requiremen ts of E. ON Netz

     

　　仅当电网电压在时间或数值上处于图示曲线下方时, 风机才允许解列; 而在曲线以上区域, 风机应保持并网, 等待电网恢复。且当电压位于图中阴影区域时, 还要求风机向电网提供无功功率支撑,帮助电网恢复。

    

　　在图中可以看到, 当电压跌落到15% ～ 45%时, 要求风机一直提供无功支持, 并应能保持并网至少625 m s。而在电压跌落到90% 以上时风机应一直保持并网运行。

    

　　2　电压跌落对不同风机的影响

    

　　研究LVRT 的前提是分析风机在电网电压出现跌落与恢复时的一些暂态过程。不同风机类型的暂态和导致的影响不尽相同。

    

　　图2 所示为目前市场上广泛使用的三种主要的风机拓扑: FS IG; 定子经变流器并网的PM SG;DF IG。

   

    

图2　三种主要的风机类型 Fig. 2　Three ma in types of the wind turbines

     

　　2. 1　FSIG 和DFIG 的暂态现象

   

　　FS IG 和DF IG 都是定子侧直接联接电网。这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上, 导致定子磁链出现直流成分, 不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差(转差频率分别在ωs和2ωs 附近,ωs 为同步角频率) , 从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流, 导致转子电路中电压和电流大幅增加[ 5, 6 ]。

   

　　对于FS IG, 从电压跌落到恢复的时间内, 其鼠笼式转子能承受此短时过电流而不会受损烧毁[ 7 ];而DF IG 转子侧接有ACöD CöA C 变换器, 其电力电子器件的过压、过流能力有限。如果对电压跌落不采取控制措施限制故障电流, 较高的暂态转子电流会对脆弱的电力电子器件构成威胁[ 5, 6 ]; 而控制转子电流会使变流器电压升高, 过高的电压一样会损坏变流器[ 8 ]; 且变流器输入输出功率的不匹配有可能导致DC2link (直流用线) 电压的上升或下降(与故障时刻电机超同步速或次同步速有关[ 7 ])。因此DF IG 的LVRT 实现较为复杂。

    

　　电网发生故障(尤其是不对称故障) 的过渡过程中, 电机电磁转矩会出现较大的波动, 对风机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风机的运行和寿命。定子电压跌落时, 电机输出功率降低, 若对捕获功率不控制, 必然导致电机转速上升[ 5～ 7 ]。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下, 即使故障切除, 双馈电机的电磁转矩有所增加, 也难较快抑制电机转速的上升, 使双馈电机的转速进一步升高,吸收的无功功率进一步增大, 使得定子端电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复, 严重时可能导致电网电压无法恢复, 致使系统崩溃[ 9, 10 ] , 这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。

　　2. 2　PMSG 的暂态现象

      

　　对于PM SG, 定子经ACöD CöA C 变流器与电网相接, 发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小, 而发电机的输出功率瞬时不变, 显然功率不匹配将导致DC2link (直流母线) 电压上升[ 7, 11, 12 ] , 这势必会威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定DC2link 电压, 必然会导致输出到电网的电流增大, 过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围波动时, 电机侧变流器一般都能保持可控性, 在电网电压跌落期间, 电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱系统的LVRT 实现相对DF IG 而言较为容易[ 13 ]。

   

　　3　LVRT 的实现方法

   

　　3. 1　FSIG 的LVRT 实现

   

　　电压跌落期间FS IG 的主要问题是电磁转矩衰减导致转速的飞升。其简单的结构使得能采取的措施也很有限。最简单的方法是在可靠判断出故障后, 利用快速变桨来减小输入机械转矩, 限制转速上升[ 5, 7 ]。但风机桨叶具有很大的惯性, 该方案需要风机有很好的变桨性能。

  

　　变桨控制不足之处在于无法提供无功以支持电网恢复, 鼠笼电机的运转反而需要吸收电网的无功。一般减少无功吸收的方法是按最大功率输出安装电容器组。但在风力发电这种能量波动大的场合会带来系统电压的波动, 且会磨损发电机械, 故障时临近母线会出现过电压, 因此文献[14 ] 提出采用静态无功补偿SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安装一个静态无功补偿器, 实时补偿所需无功。研究结果显示, 稳态运行波形得到改善, 提高了故障穿越能力。

  

　　文献[16 ] 提出采用静态同步补偿器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)来调节电压, 其研究结果显示在适当的额定功率下, 该方案可以实现低电压穿越。与静态无功补偿器相比, 该方法的补偿电流不依赖于连接点电压,所以补偿电流在电压下降时不会降低。然而, 由于成本的原因, 这一方案难以工程化。总的来说,DF IG 在电压跌落时面临的问题不是很大, 其LVRT 实现可以配合变桨和其他措施实现。

　　3. 2　PM SG 的LVRT 实现

   

　　电压跌落期间PM SG 的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。可采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。这种设计的效果需要考虑成本、电网规范以及故障深度和时间。可以考虑从变流器设计入手[ 11 ] , 选择器件时放宽电力电子器件的耐压和过流值, 并提高直流电容的额定电压。这样在电压跌落时可以把DC2link的电压限定值调高, 以储存多余的能量, 并允许网侧逆变器电流增大, 以输出更多的能量。但是考虑到器件成本, 增加器件额定值是有限度的, 而且在长时间和严重故障下, 功率不匹配会很严重, 有可能超出器件容量, 因此这种方法较适用于短时的电压跌落故障。

  

　　上面的方法考虑增大功率输出和储能以解决功率匹配。同样可以考虑减小电机的发电功率来平衡功率[ 11, 12 ]。

    

　　如减小同步机电磁转矩设定值, 这样会引起发电机的转速上升, 从而达到允许转速的暂时上升来储存风机部分输入能量, 这有效地减小了发电机的输出功率。如果故障不严重, 可以不采取变桨控制;一旦电机转速上升过多或不便用上升转速来储存能量可以直接采取变桨控制。变桨可从根本上减小风机的输入功率, 有利于电压跌落时的功率平衡。这种策略结合增加器件容量的方法可进一步提高穿越裕度。

   

　　对于更长时间的深度故障, 可以考虑采用额外电路单元储存或消耗多余能量。文献[7, 11 ] 给出两种外接电路单元实现LVRT 的方案, 如图3 所示。图3 (a) 为在DC2link 上接一个储能系统, 当检测直流电压过高则触发储能系统的IGBT , 转移多余的直流储能, 故障恢复后将所储存的能量馈入电网。图3 (b) 采用Buck 变换器, 直接用电阻消耗多余的DC2link 能量。

    

　　程中, 电机电磁转矩会出现较大的波动, 对风机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风机的运行和寿命。定子电压跌落时, 电机输出功率降低, 若对捕获功率不控制, 必然导致电机转速上升[ 5～ 7 ]。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下, 即使故障切除, 双馈电机的电磁转矩有所增加, 也难较快抑制电机转速的上升, 使双馈电机的转速进一步升高,吸收的无功功率进一步增大, 使得定子端电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复, 严重时可能导致电网电压无法恢复, 致使系统崩溃[ 9, 10 ] , 这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。