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浅析双馈式风力发电机低电压穿越技术

作者:未知

  【摘 要】风力发电是在我国新能源战略下开发与应用的新型发电模式,成为全球发展速度最快的清洁能源,也促使双馈式发电机成为应用最广的,集变速运行与變流器容量小优点为—体的风力发电设备。过去应用的保护设备要求与电网解列,失去电网的支撑作用,容易出现严重的连锁反应,基于此,当电网、电压跌落时风电场需维持一定时间,确保电网连接不发生解列,这一要求即为低电压穿越(LvRT)双馈式分离发电机因结构特征,存在诸多难点,比如,控制策略需满足不同机组、不同参数适应性,故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压均要在可承受范围内等。本文将对双馈感应发电机模型进行分析,提出技术应用策略。
  【关键词】双馈感应发电机;风力发电;低电压穿越技术
  风电作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源技术,在全球以年增长率超过30%的速度成为发展最快的清洁能源。双馈式风力发电机则由于具有能够变速运行、变流器容量小等优点正成为使用最广泛的变速恒频风力发电机之一。目前,变速恒频式风力发电机,尤其是双馈式风力发电机在应对电网故障能力方面存在较大缺陷。电网发生故障容易导致风力发电机端电压跌落,造成发电机定子电流增加。由于转子与定子之间的强耦合,快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升。另外,由于风力机调节速度较慢,故障前期风力机吸收的风能不会明显减少,而发电机组由于机端电压降低.不能正常向电网输送电能,即有一部分能量无法输人电网,这些能量由系统内部消化,将导致电容充电、直流电压快速升高、电机转子加速、电磁转矩突变等一系列问题。上述问题容易导致系统元器件的损坏。针对此问题,目前国外许多电网运营商对风电场提出了强制性要求;电网电压跌落时,风电场须维持一定时间与电网连接而不解列,甚至要求风电场在此过程中能提供无功以支持电网电压的恢复“1。此要求即为低电压穿越技术。
  一、低电压穿越技术的应用要求
  双馈风力发电系统需实现以下要求:(1)电网发生故障时,保护电网与电压、变流器不出现损坏。(2)将故障时机械转矩跃变对齿轮箱与风机造成的冲击,进而避免齿轮箱出现机械磨损。(3)需与电网的LVRT标准满足,随着我国风力发电产业快速发展,大规模发电项目被提上日程,但是风力发电能源供应不足,对电网稳定性带来了不利影响。由此,加快LvRT标准制度对风力发电稳定持续运行有重要意义。
  二、低电压穿越技术的应用
  2.1传统控制策略不适合故障过程控制
  通过双馈电机转子轴的有功与无功解耦控制的控制方法,但是这种方法构造单一,不能获得更好的稳态响应。此方法不适应故障期间的控制分析:该控制方法将定子磁链的暂态过程忽略了,认为定子磁链保持恒定.出现故障后电压解耦控制将不能实现:其次,电机端电压在出现故障会发生跃变,定子磁链测定应用的积分器饱和,从而使磁链定向失去准确性,从而使整个故障控制i撤得艰难圆。
  2.2增加硬件电路的实现方法
  双馈感应发电机增加电路使系统的LVRT得以实现,这种实现方法最为常见,适合双馈感应发电机的Crowbar的电路有很多。Crowbar电路选取非常重要,变流器端的电压需控制好,不能太高也不能太低,不能对电流进行限制。发生短路时可将Crowbar电路接入实现限流。如果电压跌落持续较长时间,电机会在故障期间提供无功给电网,但是需要注意的是,切换不需要再使用特殊的控制方法,但是会出现严重的暂态01。鉴于此过程电机没有与电网发生解列,电机依然可以生成电磁转矩,可以将风棚产生的机械转矩抵消。消除故障后,风力发电机会马上恢复原有的工作模式,如果不能采取这种模式,电压恢复暂态容易出现与返回值不匹配的情况,容易使积分出现饱和,产生更加严重的暂态响应。由此,为了使切换更加平滑,必须将参考值设置为实际值,这样才能使整个状态是缓慢、安全的。
  2.3能量储存系统
  电压出现跌落在故障期间难以对直流电压控制时,可以应用能量存储系统(ESS),这一系统的优势是能够存储过剩的能量,且在故障后将这些能量再次输送到电网中川。这种方法避免了Crowbar运行状态切换问题,还能避免出现切换失误造成的暂态,可以持续调控系统,缺点是ESS不台B控制转子电流,为了使变流器不因转子过电流出现损坏,需要使用较大容量侧变流器。
  2.4定子侧的电子开关
  为了使系统控制能力得以保证,减少转矩振荡情况,可以在定子侧与电网间并联晶闸管作为电子开关,从而分离定子快速与电网。其控制过程为:发生故障时,将定子与电网连接切断,对转子侧的逆变器进行控制,可以使电机顺利去磁,实现双馈电机与电网的同步,使电机定子成功连接到电网,恢复正常工作状态。
  三、结束语
  本文通过研究双馈感应发电机LvRT条件下的建模、控制实现,以及其对电网的影响,介绍了双馈式风力发电机LVRT技术的发展现状,得出了以下几点结论:
  1)由于传统暂态分析模型忽略了磁饱和、非线性成分、电磁暂态过程等内容,如果使用它们进行LVRT技术的研究可能会对故障严重性估计不足,从而影响保护装置的设计。在故障分析过程中需使用更完整详细的模型。
  2)通过改进控制策略可在很大程度上改善系统的暂态响应。但基于对能量守恒关系的分析,对于很严重的电网电压跌落故障,仅仅改进控制策略很难同时克服系统的过电流和过电压问题。因此,增加硬件电路是不可避免的。
  3)几种增加硬件电路实现低电压穿越的方法各有利弊,都存在一些较难克服的问题。研究过程中可考虑几种方法结合使用,或是改进相应的控制策略。
  4)具备LVRT能力的风电场不但不会给电网带来不利影响,反而相对于传统电站能够改善系统的性能,这一特点决定了LVRT研究将是今后风电研究中的一个重点。
  中国的LVRT研究今后将主要面临以下问题:建立适用于中国电网的LVRT技术规范,且能够针对具体区域电网、具体接入点对标准进行适当修改;建立具备LvRT能力的风力发电机模型,并将该模型集成于现有商业电力系统分析软件中;形成对LVRT功能、效率、影响的评价方法,并建立相关测试与评估环境。
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