直驱永磁同步风力发电系统低压穿越技术

2013-04-13薛荣辉

科技视界 2013年36期

薛荣辉

(西安航空学院，陕西西安 710077)

0 引言

随着现代科学技术的发展，能源的消耗日益增加，煤、石油、天然气等不可再生能源存储量日益减少，发展可再生能源是解决能源问题的重中之重，风能作为一种清洁能源，随着电力电子技术的发展，百年来发展比较成熟。风力发电系统的装机容量也日渐增加，风能经过风力机转换为机械能带动电机转动在经过变流器得到与电网同频的交流提供给电网。风电系统现在用的比较广泛有双馈感应风电系统和直驱永磁同步风电系统，由于直驱永磁同步风电系统不需要齿轮箱，节省了维修费用，所以直驱风电系统更具有优势，本文研究直驱永磁风力发电系统。随着风力发电的比重增加，需要考虑电网电压发生变化时对风力系统的影响，以及风力系统对电网的影响。而世界各国的电网运营商制定并网准则对并网风电场的输出的特性作出严格规定，并网导则中一项重要内容为要求风电场具有低压穿越能力[1]。

1 低压穿越

低压穿越（LVRT-Low Voltage Ride Through），是指在电网电压突然降落时，风力系统在不解列的情况下，继续给电网提供所需的无功功率，直到电网恢复正常，风力发电系统恢复正常运行的过程。从电力系统稳定性分析，如果在电网发生电压跌落时，风力系统保护装置启动，直接从电网解列，兆瓦级风力发电系统将造成电网崩溃，为此研究直驱永磁同步风力系统的低压穿越[2]，具有重要意义。需要采取一定的保护措施对网侧变流器进行过流保护，网侧一般是采用改进前馈控制方案，主要任务是控制系统使得机侧变流器和网侧变流器两侧功率平衡。但是如果严重故障时，仅靠控制系统的调节，不能解决问题，常用的是采用Crowbar保护电路，在电网电压发生突降时，能够提供吸收多余能量的通道，使得系统功率平衡。电网电压突降，机侧输出功率不变，网侧输入功率突降，造成系统输出输入功率不平衡，造成直流母线电容电压上升。要研究解决办法，现将系统功率关系研究。设风力机产生的机械能为Pz，最大机械功率为Pm，永磁同步电机输出功率为Pg，注入电网功率为Ps。忽略损耗的情况，正常工作Pm=Pg=Ps，系统功率平衡。

方法一:通过变桨距角实现低压穿越，电网电压突降，输出电网的功率减小，电流不能突变,系统流入电网的功率降落比与电网电压降落比成正比，发电机输出功率大于输入电网功率，调节桨距角控制使得功率平衡。

由式（1）（2），及图1得到，不同β都存在最佳叶尖速比，在最佳叶尖速比时获得最大输出功率。在电压跌落时，控制β减小，就可以减小发电机输出功率，使得功率平衡。等到电网恢复时，再控制β，使工作在最大风能利用率，输出最大功率。

风力发电系统将通过风力机实现风能转换为机械能，风能转换率设为CP，CP是关于桨距角β和叶尖速比λ的函数如下式：

方法二：chopper电路，通过增加chopper电路，解决低压穿越问题，如图2所示。当电网正常工作时，chopper电路不起作用，当电网电压跌路，由功率不平衡，引起Udc突然增加，采用chopper电路，电阻将多余的能量消耗，如果不能完全消耗，再采用桨距角控制。

图1 CP=f（λ,β）曲线图Fig.1 CP=f（λ,β）

图2 采用chopper保护电路Fig.2 Chopper circuit

图3为chopper电路控制原理，通过功率比较，判断差值，通过占空比计算得到脉冲，控制chopper电路中的全控器件，实现控制。

图3 Chopper电路控制Fig.3 Chopper circuit control

方法三：STATCOM，静态无功补偿方法解决低压穿越，正常情况时，无功功率给定值Q*等于0，i*q为0，网侧变流器功率因数为0，只向网侧提供有功功率；发生电压跌落故障时，改变Q*，实现对电网提供无功功率和有功功率。

方法四：Crowbar保护电路，低压运行方案有在直流母线侧电容端增加Crowbar保护电路，如图4所示，实现能量的有效利用。电容与储能装置通过IGBT连接，当电容电压低时，IGBT导通，储能元件将能量送到电容，当电容电压增加时，IGBT导通，电容将多余的能量送给储能元件，这样能量利用率高。但是电路中增加了储能元件，费用增加；还可以电网侧和直流母线侧增加辅助变流器的Crowbar保护电路，如图5所示。

图4 直流母线电容端增加CrowbarFig.4 The dc bus capacitor increases the Crowbar

图5 有储能装置的Crowbar保护电路Fig.5 Crowbar protection circuit with energy storage devices

网侧变流器采用全控器件IGBT，考虑到器件过流能力，必须在电网电压跌落时，控制通过开关器件的电流，采用网侧和直流母线侧增加辅助变流装置，实际上相当于增加了变流器的容量，电压跌落时，部分电流可以通过辅助变流器并入电网，从而解决的网侧变流器开关器件过流的问题，保持电网电压跌落时功率平衡。本系统增加了辅助大功率变流器，控制复杂成本提高。

3 低压穿越仿真

在电网电压发生故障突降时，本文采用将电网侧电压反馈给风力系统，通过控制电路，控制桨距角不变的情况下减小最佳叶尖速比，从而减小风能利用率，减小输出机械能，从而可以使机侧网侧功率达到动态平衡。在电网恢复正常工作时，通过增大桨距角，保持电网电压跌落时的风能利用率，达到故障前最佳叶尖速比，调节桨距角，实现系统稳定控制。图6为仿真结果。

图6 电网侧三相电压Fig.6 Three-phase voltage power grid side

设在5.2s时电网电压发生突降，降幅为50%，风速保持额定风速15m/s，通过仿真得到网侧电压，经过0.5s后恢复到正常电压，网侧电流通过0.6s也恢复正常值。说明仿真基本实现低压穿越的功能。而发生故障时，因为风速不变风机输出功率不变，电网电压降低，机侧网侧功率不平衡，造成电网电流增加，经过控制器的调节恢复正常工作。