直驅永磁同步風力發電系統低壓穿越技術

薛榮輝

(西安航空學院，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著現代科學技術的發展，能源的消耗日益增加，煤、石油、天然氣等不可再生能源存儲量日益減少，發展可再生能源是解決能源問題的重中之重，風能作為一種清潔能源，隨著電力電子技術的發展，百年來發展比較成熟。風力發電系統的裝機容量也日漸增加，風能經過風力機轉換為機械能帶動電機轉動在經過變流器得到與電網同頻的交流提供給電網。風電系統現在用的比較廣泛有雙饋感應風電系統和直驅永磁同步風電系統，由于直驅永磁同步風電系統不需要齒輪箱，節省了維修費用，所以直驅風電系統更具有優勢，本文研究直驅永磁風力發電系統。隨著風力發電的比重增加，需要考慮電網電壓發生變化時對風力系統的影響，以及風力系統對電網的影響。而世界各國的電網運營商制定并網準則對并網風電場的輸出的特性作出嚴格規定，并網導則中一項重要內容為要求風電場具有低壓穿越能力[1]。

1 低壓穿越

低壓穿越（LVRT-Low Voltage Ride Through），是指在電網電壓突然降落時，風力系統在不解列的情況下，繼續給電網提供所需的無功功率，直到電網恢復正常，風力發電系統恢復正常運行的過程。從電力系統穩定性分析，如果在電網發生電壓跌落時，風力系統保護裝置啟動，直接從電網解列，兆瓦級風力發電系統將造成電網崩潰，為此研究直驅永磁同步風力系統的低壓穿越[2]，具有重要意義。需要采取一定的保護措施對網側變流器進行過流保護，網側一般是采用改進前饋控制方案，主要任務是控制系統使得機側變流器和網側變流器兩側功率平衡。但是如果嚴重故障時，僅靠控制系統的調節，不能解決問題，常用的是采用Crowbar保護電路，在電網電壓發生突降時，能夠提供吸收多余能量的通道，使得系統功率平衡。電網電壓突降，機側輸出功率不變，網側輸入功率突降，造成系統輸出輸入功率不平衡，造成直流母線電容電壓上升。要研究解決辦法，現將系統功率關系研究。設風力機產生的機械能為Pz，最大機械功率為Pm，永磁同步電機輸出功率為Pg，注入電網功率為Ps。忽略損耗的情況，正常工作Pm=Pg=Ps，系統功率平衡。

方法一:通過變槳距角實現低壓穿越，電網電壓突降，輸出電網的功率減小，電流不能突變,系統流入電網的功率降落比與電網電壓降落比成正比，發電機輸出功率大于輸入電網功率，調節槳距角控制使得功率平衡。

由式（1）（2），及圖1得到，不同β都存在最佳葉尖速比，在最佳葉尖速比時獲得最大輸出功率。在電壓跌落時，控制β減小，就可以減小發電機輸出功率，使得功率平衡。等到電網恢復時，再控制β，使工作在最大風能利用率，輸出最大功率。

風力發電系統將通過風力機實現風能轉換為機械能，風能轉換率設為CP，CP是關于槳距角β和葉尖速比λ的函數如下式：

方法二：chopper電路，通過增加chopper電路，解決低壓穿越問題，如圖2所示。當電網正常工作時，chopper電路不起作用，當電網電壓跌路，由功率不平衡，引起Udc突然增加，采用chopper電路，電阻將多余的能量消耗，如果不能完全消耗，再采用槳距角控制。

圖1 CP=f（λ,β）曲線圖Fig.1 CP=f（λ,β）

圖2 采用chopper保護電路Fig.2 Chopper circuit

圖3為chopper電路控制原理，通過功率比較，判斷差值，通過占空比計算得到脈沖，控制chopper電路中的全控器件，實現控制。

圖3 Chopper電路控制Fig.3 Chopper circuit control

方法三：STATCOM，靜態無功補償方法解決低壓穿越，正常情況時，無功功率給定值Q*等于0，i*q為0，網側變流器功率因數為0，只向網側提供有功功率；發生電壓跌落故障時，改變Q*，實現對電網提供無功功率和有功功率。

方法四：Crowbar保護電路，低壓運行方案有在直流母線側電容端增加Crowbar保護電路，如圖4所示，實現能量的有效利用。電容與儲能裝置通過IGBT連接，當電容電壓低時，IGBT導通，儲能元件將能量送到電容，當電容電壓增加時，IGBT導通，電容將多余的能量送給儲能元件，這樣能量利用率高。但是電路中增加了儲能元件，費用增加；還可以電網側和直流母線側增加輔助變流器的Crowbar保護電路，如圖5所示。

圖4 直流母線電容端增加CrowbarFig.4 The dc bus capacitor increases the Crowbar

圖5 有儲能裝置的Crowbar保護電路Fig.5 Crowbar protection circuit with energy storage devices

網側變流器采用全控器件IGBT，考慮到器件過流能力，必須在電網電壓跌落時，控制通過開關器件的電流，采用網側和直流母線側增加輔助變流裝置，實際上相當于增加了變流器的容量，電壓跌落時，部分電流可以通過輔助變流器并入電網，從而解決的網側變流器開關器件過流的問題，保持電網電壓跌落時功率平衡。本系統增加了輔助大功率變流器，控制復雜成本提高。

3 低壓穿越仿真

在電網電壓發生故障突降時，本文采用將電網側電壓反饋給風力系統，通過控制電路，控制槳距角不變的情況下減小最佳葉尖速比，從而減小風能利用率，減小輸出機械能，從而可以使機側網側功率達到動態平衡。在電網恢復正常工作時，通過增大槳距角，保持電網電壓跌落時的風能利用率，達到故障前最佳葉尖速比，調節槳距角，實現系統穩定控制。圖6為仿真結果。

圖6 電網側三相電壓Fig.6 Three-phase voltage power grid side

設在5.2s時電網電壓發生突降，降幅為50%，風速保持額定風速15m/s，通過仿真得到網側電壓，經過0.5s后恢復到正常電壓，網側電流通過0.6s也恢復正常值。說明仿真基本實現低壓穿越的功能。而發生故障時，因為風速不變風機輸出功率不變，電網電壓降低，機側網側功率不平衡，造成電網電流增加，經過控制器的調節恢復正常工作。

4 結論

本文主要研究直驅永磁同步風力發電系統低壓穿越問題，分析電網電壓突變引起功率不平衡，具體采用通過將電網電壓引入電機側，控制槳距角實現低壓穿越。

［1］肖帥，耿華，郭云璐，楊耕.風電機組低壓穿越中的電力電子技術[J].變頻器世界，2013.

［2］楊曉萍，段先鋒，田錄林.直驅永磁同步風電系統低電壓穿越的研究[J].西北農林科技大學學報，2009，8.