一種電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)方案探討

郎朗

隨著全世界對(duì)環(huán)境的關(guān)注，越來(lái)越多的人更加關(guān)注可再生能源技術(shù)。使用風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電是一種來(lái)自可再生能源的發(fā)電方式。最多的常見的風(fēng)力機(jī)類型是定速風(fēng)力機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)相連。然而，這個(gè)系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)。主要體現(xiàn)在，無(wú)功功率和電網(wǎng)電壓水平不能根據(jù)葉片旋轉(zhuǎn)而改變其功率變化。

當(dāng)我們使用變速風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，這些渦輪機(jī)改進(jìn)了水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及低噪聲而降低風(fēng)速。變速渦輪發(fā)電比定速渦輪高，因?yàn)樗鼈兛梢栽诿糠N風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速。其他得優(yōu)點(diǎn)還有就是變速風(fēng)力渦輪機(jī)是減少機(jī)械損耗的，它提高了電能質(zhì)量，并且補(bǔ)償了用于扭矩和功率脈動(dòng)。由于需要電力電子轉(zhuǎn)換器，變速渦輪機(jī)的缺點(diǎn)是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)更為復(fù)雜。

由于需要轉(zhuǎn)換器，變速渦輪機(jī)的價(jià)格往往高于恒速渦輪機(jī)。獲得變速的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在發(fā)電機(jī)的定子電路和電網(wǎng)之間直接連接一個(gè)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器必須根據(jù)渦輪機(jī)的額定功率進(jìn)行設(shè)計(jì)。與變頻器與定子相連的水輪機(jī)相比，雙饋發(fā)電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)。由于變頻器的額定功率通常占系統(tǒng)總功率的25%，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍約為同步轉(zhuǎn)速的33%，因此變頻器更便宜。此外，逆變器濾波器更便宜，因?yàn)樗鼈兊念~定功率也是總功率的25%。此外，功率因數(shù)控制可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡p饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行基本上類似于同步發(fā)電機(jī)。

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是在電網(wǎng)故障時(shí)運(yùn)行，特別是對(duì)于帶雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。電力系統(tǒng)中的故障，即使遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的位置，也可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)連接點(diǎn)的電壓驟降。電網(wǎng)電壓的下降將導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組中的電流增加。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的磁耦合，這種電流也會(huì)流過轉(zhuǎn)子電路和電力電子變換器。這可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器損壞?？梢試L試通過變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)的電流控制來(lái)限制電流；但是，這將導(dǎo)致變頻器終端的高電壓，這也可能導(dǎo)致變頻器的損壞。

在世界范圍內(nèi)，人們有一個(gè)雄心壯志，即安裝大量的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，并提高風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的能源消耗份額。與網(wǎng)格的交互變得越來(lái)越重要。這可以理解為如下，當(dāng)所有風(fēng)力渦輪機(jī)在電網(wǎng)故障時(shí)斷開時(shí)，這些可再生發(fā)電機(jī)將不同于傳統(tǒng)的發(fā)電廠，無(wú)法在電網(wǎng)故障期間和之后立即支持電網(wǎng)的電壓和頻率。這將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要問題。因此，全世界都認(rèn)識(shí)到，為了在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的大規(guī)模應(yīng)用，渦輪機(jī)應(yīng)在發(fā)生故障時(shí)與電網(wǎng)保持連接。它們應(yīng)該類似于傳統(tǒng)的發(fā)電廠，在故障排除后立即為頻率和電壓支持提供有功和無(wú)功功率，通常在一秒鐘之內(nèi)能實(shí)施動(dòng)作。

本文提出了一種使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)，利用雙饋發(fā)電機(jī)保持并網(wǎng)的方法。解決方案的關(guān)鍵是限制轉(zhuǎn)子中的高電流，并通過一組與轉(zhuǎn)子繞組相連的電阻器為其提供旁路。有了這些復(fù)位器，就可以在不斷開渦輪機(jī)與電網(wǎng)的情況下，在電網(wǎng)故障中生存下來(lái)。由于發(fā)電機(jī)和變頻器保持連接，因此故障期間和故障后的運(yùn)行同步保持不變，故障排除后可以立即繼續(xù)正常運(yùn)行。已經(jīng)制定了一種控制策略，負(fù)責(zé)恢復(fù)正常運(yùn)行。如果沒有這種過渡控制，就會(huì)產(chǎn)生極大的瞬間功率。

當(dāng)DIP 持續(xù)時(shí)間超過幾百毫秒時(shí)，可以斷開短路電阻，系統(tǒng)可以在降低的電網(wǎng)電壓下恢復(fù)正常運(yùn)行。甚至可以在故障發(fā)生時(shí)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率。傳統(tǒng)的保護(hù)方案僅給出了干擾期間轉(zhuǎn)子電壓和電流行為的有限信息，而這些信號(hào)在干擾期間很重要。轉(zhuǎn)子電流或電壓過高可能會(huì)破壞轉(zhuǎn)子電路中的轉(zhuǎn)換器。本文主要研究雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)信號(hào)，用變換器將雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路與電網(wǎng)相連，而定子電路則直接與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)換器必須能夠在兩個(gè)方向上傳輸能量。無(wú)論轉(zhuǎn)子功率的大小和方向如何，電網(wǎng)側(cè)變流器必須控制直流鏈路電壓，而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器必須控制轉(zhuǎn)子電流。對(duì)于轉(zhuǎn)換器模型，假設(shè)轉(zhuǎn)換器是理想的。它們精確地產(chǎn)生由控制器設(shè)置的參考電壓信號(hào)。此外，本文還討論了故障時(shí)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率以支持電壓恢復(fù)的可能性。首先，簡(jiǎn)短地介紹了一些關(guān)于系統(tǒng)建模的信息。然后，描述了控制器。通過對(duì)電壓暫降的簡(jiǎn)要討論，給出了論證結(jié)果，證明了該保護(hù)方案的有效性。