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几种双馈式变速恒频风电机组低电压穿越技术对比分析

  1 引言

  并网风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源技术。并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于,其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率,这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式,主要有输电线路短路或断路,如三相对地,单相对地以及线间短路或断路等,它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。

  双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型,其发电设备为双馈感应发电机,当出现电网故障时,现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大,风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心,一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话,将严重影响电力系统的运行稳定性。因此,随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加,电网对其要求越来越高,通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行(faultride-through),并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行,也就是说,要求风电机组具有一定低电压穿越(lowvoltageride-through)能力。为此,国际上已有一些新的电网运行规则被提出。例如:德国北部的电力公司(e.onnetz公司)要求风电场能够在图1所示的电压范围内(即图中阴影区)不脱网运行[1][33],电网电压跌落到15%以后风电机组不脱网运行时间须持续达300ms,当电网电压跌落低于曲线后才允许风电机组脱网。这里电压指的是风电场连接点的电压。而为英国部分地区供电的nationalgrid电力公司则要求当高于200kv的输电线路发生故障时,所有并网运行的电站或风电场必须在140ms内保持不脱网运行[2]。另外苏格兰电力公司(scottishhydro-electric公司)对电网故障时电站或风电场不脱网运行也有类似的要求[3]。

  图1e.onnetz公司对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求[33]

  为了提高风电机组的低电压穿越能力,必须针对当前主流风电机组中的双馈感应发电机的运行特点进行研究,研究它们在电网故障与故障恢复过程中的暂态行为,消除或减轻在不离网控制情况下可能引起的机组损害。许多文献[4-7]报道了在电网电压跌落情况下,风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流,同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高,发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下,定子磁链不能跟随定子端电压突变,从而会产生直流分量,由于积分量的减小,定子磁链几乎不发生变化,而转子继续旋转,会产生较大的滑差,这样便会引起转子绕组的过压、过流。如果电网出现的是不对称故障的话,会使转子过压与过流的现象更加严重,因为在定子电压中含有负序分量,而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器,而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保护发电机励磁变流器,采用过压、过流保护措施势在必行。

  为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能安全不脱网运行,适应新电网运行规则的要求,国内外学术界和工程界对电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。据文献的报道,当前的低电压穿越技术一般有三种方案:一种是采用了转子短路保护技术(crowbarprotection),二种是引入新型拓扑结构,三是采用合理的励磁控制算法。下面逐一分析介绍。

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