[永磁直驱同步风电机组低电压穿越的技术改造]直驱风电机组
时间：2019-04-07 03:17:37 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】并网风电机组脱网事故频发,引发风电行业各方的高度关注，一场以提高并网风电机组低电压穿越(LVRT)能力的技术改造正在迅速的展开。永磁直驱同步风电机组(PMSG)以其优越的性能，装机逐年上升。文中从PMSG的并网技术和国家并网标准出发，分析了PMSG主要的LVRT技术改造方案,并对控制策略进行了比较分析，提出了具有现实意义的PMSG的LVRT技术改造方案。
【关键词】PMSG；LVRT无功补偿；控制策略；技术改造
引言
风电装机容量逐年上升,并网风电穿透率不断提高，风电对电网性能的影响越来越大。《中国风电发展路线图2050》预计到2050年，我国风电装机容量将占电力总装机容量的26%，风电将满足17%的国内电力需求[1]。近期频发的风电机组大规模脱网事故，首要的原因是发生故障的风电机组不具备一定的LVRT能力。而目前我国上网风电机组中，仍有许多不具备LVRT能力，LVRT的技术改造时间和方案无疑成为风电行业关注的焦点。
1.LVRT技术与现行要求
LVRT是指在电网故障引起电压跌落时,风电机组能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。电压跌落会给电机带来一系列暂态过程,如出现过电压、过电流或转速上升等,严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。风电并网国家标准规定:对于风电装机容量占电源总容量比例大于5%的省(自治区)级电力系统，其区域内新增运行的风电场应具有LVRT能力[2]。要求：①风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms。②风电场并网点电压在发生跌落后2S内能够恢复到额定电压的90%时,风电机组不脱网。③在电网故障期间没有切出的风电机组，其有功功率在故障清除后应以至少以10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的状态。
2.PMSG的LVRT技术改造方案的分析
PMSG永磁直驱全功率变流技术，在LVRT方面较感应异步(FSIG)和双馈异步(DFIG)系统有先天优势。电网电压跌落时，PMSG输出功率减小,而发电机的输出功率瞬时不变，能量不匹配导致直流母线电压的上升。当电压跌落小时，控制网侧变流器即可以实现PMSG的有功和无功解耦控制，有一定的LVRT能力。当电压跌落严重时，PMSG无法实现LVRT，需要增加其他的保护措施。
目前PMSG系统的LVRT采取的主要措施有：①选择耐压和过流值比较大的电力电子器件,并提高直流电容的额定电压值；②增加辅助网侧变流器；③在直流母线(DC-link)上接储能系统或Buck变换器；④采取变桨控制；⑤减小电机的发电功率。其中措施①～③适用于短时的电压跌落故障；措施④的动态响应比较慢；措施⑤会引起发电机的转速上升,在允许转速内储存风机部分输入能量,减小发电机的输出功率。根据PMSG系统的实际情况，在控制策略上，短时电压跌落使变流器直流侧电压在一定范围波动时,电机侧变流器一般都能保持可控性,可在DC-link上接Buck变换器或储能系统。对深度故障，可采取变桨控制，减小发电机输出功率，限制电机的转速上升。
电压跌落不严重,可采用附加电路单元储存或消耗多余能量。目前采用的方案有两种：方案Ⅰ采用Buck变换器与直流侧相连,直接用电阻消耗多余的DC-link能量。系统正常工作时保护电路不起作用，当发生电压跌落直流侧输入功率大于输出功率时，投入卸荷电阻消耗直流侧多余的能量，使电容电压稳定在一定范围内；方案Ⅱ在DC-link上接一个储能系统，当检测到直流电压过高时，使得储能系统的IGBT触发,转移多余的直流储能。故障恢复后，再将所储存的能量馈入电网中。
电压跌落时应满足：，其中△P为跌落功率,Pin为电机定子侧输出的有功功率,Pout为风电系统输出的有功功率,IGBT的导通占空比为m,Rm为卸荷电阻。系统正常运行时IGBT的占空比为零，不投入卸荷电阻，当电网电压严重跌落，△P超出设定值时投入卸荷电阻，直流侧电压Udc超出允许值IGBT占空比为1，卸荷电阻完全投入。文献 经过MATLAB/Simulink仿真分析得到，在直流侧卸荷电路投入运行后，PMSG的有功和直流侧电压在电压跌落和电压恢复后都有震荡，但在稳定范围内，风电系统可以给电网提供振荡的无功功率，振荡的上限幅值大于下限幅值，可以向电网提供无功以支持穿越低电压区域。
当电压跌落严重时，不便用上升转速来储存能量，限制变流器直流侧过电压和网侧逆变器过电流，可采取变桨控制来抑制发电机功率减小时机组机械转速的升高。应用电磁暂态仿真软件PSCAD/ EMTDC建立永磁直驱同步风电系统模型[4]，当只控制发电机功率而不进行变桨控制时,在电压跌落时,发电机功率不能突变,变流器输入功率大于输出功率,直流电压上升。随后机侧整流器控制减小发电机输出功率,可维持变流器功率平衡,限制直流电压升高，但机组转速上升了43%。若此时桨距角控制器增大桨距角,减小了发电机的输入机械功率,使发电机的功率维持平衡,并可使机组转速升高不超过1%，电压跌落期间风力机风能利用系数减小，且PMSG向系统输送了一定的无功功率。电网电压恢复后,系统又恢复正常运行。这种策略结合增加器件容量的方法可进一步提高LVRT裕度。
3.结语
本文通过PMSG的LVRT技术改造，增加卸荷电阻和储能系统，保持发电机功率和变流器直流侧功率平衡,辅以变桨控制限制机组转速的升高，可提高PMSG的LVRT能力,同时向系统提供无功功率支持,帮助电网电压恢复。另外，采用直流侧卸荷电路和网侧增加无功补偿措施结合或直流侧卸荷电路和定子侧增加旁路保护结合的方法,也可较好的提高永磁直驱风电系统的低电压穿越能力。总之，在提高LVRT能力的问题上应综合分析，以最小能源损耗及最小污染，实现最优控制的目标。参考文献
[1]中国风电发展路线图2050[R].国家发改委能源研究所与国际能源署(IEA),2011
[2] GB/T 19963-2011,风电并网技术国家标准《风电场接入电力系统技术规定》[S].2011
[3]吴素娟等.永磁直驱风电机组低电压穿越技术的仿真分析[J].能源技术,2010.1 (4):209-212
[4] YANG Xiaoping，DUAN Xianfeng，TIAN Lulin. Low voltage ride-through of directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator[J].Journal of Northwest A & F University(Natural Science Edition),2009.37(8):228-234
