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双馈型风力发电机低电压穿越的探讨

北极星电力网技术频道    作者:和立辉 尹忠东(华北电力大学电气与电子工程学院)   2012/12/10 10:40:14   

  所属频道:  风力发电    关键词:  风力发电 双馈电机 低压穿越

[摘 要] 风力发电技术是一种清洁无污染的可再生能源技术,目前发展蓬勃。随着技术不断的成熟,单机容量不断增大,风电在电网中占的比 重也持续升高,大规模风电场和地区电网之间的相互影响愈发显著。双馈型风力发电机组具有变流器效率高、容量小、并网功率灵活的优点, 成为目前风力发电方向的重要研究方向。本文对双馈型风力发电机进行研究,重点研究了双馈型风力发电机的低电压穿越问题。

环境恶化和能源短缺是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。 随着全球工业化的快速发展,煤、天然气、石油等常规能源的快速消 耗,同时造成了大量的环境污染;而国际局势也不稳定,能源格局存在 不确定的风险。因此,中国要从改变能源结构、保护环境以及国家战略 安全角度考虑,要寻求发展可替代能源,探索一条可持续发展的能源战 略之路。于是,在新能源发电中技术最成熟、最具商业化前景的和规模 开发条件的风力发电开始大力的发展。

1 风力发电概述

在我国风力发电的初期阶段,采用的风电机组都是用鼠笼式感应 电机作为发电机,因为其转速变化范围较小,通常称为固定转速机组。 上个世纪 70 年代,国外例如丹麦等国就开始研制变速风电机组,通过 几十年的发展,在变速风电机组的研究、制造与应用方面都取得了较多 成果,并逐渐的取代定速机组,成为世界风电市场中应用广泛的机型。 当今,应用最多的变速风电机组是直驱永磁同步风电机组和双馈变速风 电机组。

2 低电压穿越概念

当代,风力发电己经在已经成为了一种应用广泛的新能源发电方 式,近年来风力发电装机容量快速的增加,在电网发生故障的情况时大 多数风力发电机都会脱网保护,不会像常规发电机在电网发生故障的时 候能向电网提供频率和电压的保障,虽然会对电力系统的稳定性造成影 响。但是电力系统对风力发电场的运行提出了很多的规范和要求,主要 包括:无功功率和电网电压控制、电网频率控制、低电压穿越控制控制 等,笔者对其中的 LVRT方面进行研究。

各国对风电机组低电压穿越技术都有各自的要求,首先美国要求 国内所有风电场在发生电压暂降故障时必须具有深度暂降到 15%额定 电压状态下仍能坚持并网运行 625ms 不切机的低电压穿越能力。同 时,国内所有风电场在电压暂降故障发生 3s 后,如果电压回复到额定 值的 90%时,这段时间内发电场必须能够持续并网运行。

丹麦风电并网导则要求风电场具有低电压穿越能力的同时还要具 有双重电压降落特性。其中要求当风电场发生两相短路 100ms 以后间 隔 300ms 如果再发生一次 100ms 的两相短路,要保证风机并网不切 机;当出现 100ms 的单相短路且经过 1s 后如果再次出现 100ms 的单 相短路时,要求风机同样持续并网不切机。

德国在低电压穿越标准中指出当发生电压暂降等故障时,风电机 组必须具有电压支撑的能力。当电网电压暂降,导致机端电压下降幅度 超过额定电压均方根值 10%时,机组必须能够进行电压支撑。调节装 置必须在故障发生后的 20ms 内即可投入,通过补偿无功功率抬高机端 电压。并且要求电压降落每增加 1 个百分点,无功电流补偿大小必须同 时增加两个百分点。

综上所述,风电场低电压穿越标准规定如下:1 风电场内所有风 ) 电机组必须具备并网点电压降落到 20%时仍能坚持并网运行 625ms 不 切机的低电压穿越能力;2 风电场内的全部风电机组在出现并网电压 ) 暂降故障 3s 后,当电压恢复到额定电压值的 90%左右时,这时风力发 电机组会保持并网运行不会切机。目前已经投入使用的风电机组,必须 尽快展开机组改造工作,争取尽早具备低电压穿越能力。

3 双馈型风力发电机的低电压穿越现状

目前常见的风力发电系统,按发电机类型的不同分为鼠笼式感应 发电机、电气励磁同步发电机和永磁式同步发电机以及双馈式感应发电 机;从风力发电系统的驱动元件进行分类又可以分成直接驱动风力发电 系统和齿轮箱驱动风力发电系统。风机按转速可以分为变速风力发电系 统和速风力发电系统两类。在变速风力发电系统中,可以按风机速度调 节角度上分类包括失速调节型和桨矩调节型;通过采用的电力变换器的 容量的不同,可分为部分功率变换型变速风力发电系统和全功率变换型 变速风力发电系统。

风力发电机的双馈感应电机的结构与绕线式异步电机很相似。这 种发电机的定子绕组与电网直接相连接,发电机的转子绕组通过变流器 与电网相联。当风速较低的时候,风机必须运行在低在同步转速的运行 状态的时候,这时才能达到比较高的状态,充分发挥电机的效率。比较 创新的方法是维持电磁转矩的与发电机机械转矩的平衡,当转子绕组从 电网中采集部分的功率然后经由定子绕组送回电网,当风速处于高风速 的时候,这时风机需要在高于同步速的时候才能运行到比较高的效率, 而在这种情况下有相当部分的功率将通过转子绕组直接连入电网。因为 转子与定子的两侧都可以向电网馈送能量,这样的风机常常称为双馈电 机。

国内目前普遍使用的双馈风电机组的低压穿越技术的原理如下, 当外部系统发生短路故障时,双馈电机定子电流增加以后,这时定子电 压和磁通突降,在转子侧感应出较大的电流。转子侧的变流器通常串连 在转子回路上,要保护变流器在运行时不受损失,双馈风电机组在转子 侧通常都装有转子短路器。当转子侧电流超过定值一定时间后,这时转 子短路器就被激活,转子侧的变流器就会退出运行,而电网侧变流器和 定子侧仍与电网相连。一般转子各相都串连一个电阻器和一个可关断晶 闸管,转子侧变流器也与其并联。电阻器阻抗值比较小,以防止转子侧 变流器过电压,具体数值需要根据具体使用而确定。当外部系统故障清 除后,转子短路器晶闸管就会关断,转子侧变流器重新投入运行。双馈 感应风力发电机实现了在电网故障引起发电机变压器系统侧电压最低下 降 30%额定电压时的 DFIG系统低电压过渡运行控制,具有良好的应 用前景。

4 总结和展望

随着世界各国在政策上对可再生能源发电的重视和对风力发电技 术的快速发展的大力研究,风力发电进入了一个快速发展期,而低电压 穿越技术作为风电机组发电并网中一个非常重要的电能质量指标,越来 越受到有关单位的重视。而目前常用的双馈式感应风力发电机在解决低 电压穿越问题上还不够理想。对于电网侧深度电压暂降故障,双馈风机 只能解决大概 30%左右,离国网要求的 80%深度电压暂降的低电压穿 越标准还有很远的距离。以后如何解决双馈式风力发电机在深度电压暂 降情况下的低电压穿越将成为一个研究热点。

来源:科技风
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