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1、直驱风力发电系统低电压穿越控制分析摘要：文章主要分析了直驱风力发电系统直流撬棒控制原理，指出了控制方式中存在的不足，并提出了解决方案。关键词： 一、引言近几年，随着风电技术的日趋进步，设备造价下降，风力发电在我国得到了大力发展，单机容量和装机规模都不断扩大，风力发电在电网中所占比重逐步上升，在某些电网，风电装机容量已占到总容量的50%，风电机组与电网的相互影响日趋严重。当出现电网故障时，风电机组将会实施自我保护，从电网中切除，从而更大地增加了整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障。为此必须采取有效措施，实现风机的低电压穿越功能。为实现低电压穿越功能，目前直驱风力发电系统基本都采用带卸荷电阻的直流
2、侧Crowbar电路，在系统发生电压跌落时，投入卸荷电阻，以消耗多余的电能，维持直流母线电压的稳定，以实现低电压穿越功能。二、带卸荷电阻的直流侧Crowbar电路直流侧带卸荷电阻的直驱式永磁发电机系统结构图如图1所示。正常运行时，中间直流支撑电压设定值由网侧和机侧变流器根据各自运行工况协同控制。其低电压穿越控制策略如下：当电网电压出现电压跌落时，为防止出现过流，损坏功率器 图1件，网侧变流器功率开关器件短暂强制封锁。同时为减少发电机的转矩脉动带来的风力机和转动链的机械应力增大，机侧变流器的控制策略保持不变。直流撬棒卸荷电路会根据检测的直流电压值和设定的直流电压滞环宽度进行Bang-Bang控制
3、，卸荷机侧发电能量。网侧变流器检测到电网的稳态过程后，为实现变流器的快速挂网运行，其根据DDSPF-SPLL锁相的电网电压正序角度进行电网正序电压定向的并网电流环控制，以设定的最大正序并网电流向电网馈送能量，此刻网侧变流器的直流电压外环饱和；直流电压值由直流撬棒电路根据检测的直流电压值和设定的直流电压滞环宽度进行Bang-Bang 控制，机侧变流器仍然处于正常的工作状态。网侧变流器检测出电网电压恢复，为防止出现过流，损坏功率器件，网侧变流器功率开关器件短暂性的强制封锁；机侧变流器正常工作；直流撬棒电路根据检测的直流电压值和设定的直流电压滞环值进行Bang-Bang 控制，卸放机侧发电能量。网侧
4、变流器检测到电网电压恢复并稳定后，为实现变流器的快速挂网运行，其会根据DDSPF-SPLL 锁相的电网电压正序角度进行电网正序电压定向的并网电流环控制或直流电压稳定控制。两种控制策略的切换依据为：在进行并网控制的时刻，如直流撬棒已经工作，为抑制撬棒工作从电网吸收功率，此刻需要网侧变流器工作在并网电流环状态以屏蔽网侧能量的整流反灌过程；反之如果在网侧变流器进行电流调节的瞬间，直流撬棒没有工作，则网侧变流器便进入直流电压稳定控制过程。网侧变流器进入了并网电流环控制后，因网侧电网电压已经恢复，则机侧的发电能量不足以支撑撬棒的卸荷和网侧馈入电网的能量，直流侧电压下降，撬棒电路退出工作状态，网侧变流器重
5、新进入直流电压稳定控制过程，从而也实现一个周期的电网LVRT 穿越过程。三、工程实践西南某风电场采用永磁直驱风力发电机组，经过一条110kV线路并入电网。根据电网要求，通过了低电压穿越能力测试。但由于并网对侧也是一个110kV变电站，与主网连接薄弱，加上该变电站连接大量工业冲击负荷及铁路牵引变，电网电压波动频繁，在实际运行中，仍经常发生风机脱网事故。分析其控制策略，主要存在以下不足之处：1、直流侧带卸荷电阻的直驱式永磁发电机系统，为保护撬棒及其开关器件回路，对撬棒动作次数做出了限制。每次电压波动时，虽然电压跌落并不大，但根据其控制原理，网侧变流器只要检测到电压跌落就会启动低电压穿越，短暂关闭网
6、侧变流器的功率元件，投入撬棒。这样一来，终因撬棒动作次数超过多而切出风机，降低了风力发电系统对电网异常情况的适应性。2、根据控制策略，在低电压穿越过程中，作并网电流环控制时，以设定的最大正序并网电流向电网馈送能量。而此时电网电压下降，系统无功本已严重不足，如再向系统输送更大的有功电流，一方面会进一步加大系统无功缺额，加重了电网电压下降的趋势，另一方面，在电压严重下降的情况下，增加有功电流的输出对增加向电网馈送能量的作用并不明显，增加的空间也非常有限。四、解决方案现变流器失量控制技术已经成熟，理论上全功率变流系统可以在任意功率因数下运行，为实现网侧电压闭环控制提供了可能。虽受开关元件及电容器容量
7、限制，但将额定功率因数做到0.9仍没有太大难度，这样对系统电压波动及电压跌落将会有很大的改善。具体控制方式如图2图2 利用失量控制技术，有功电流采用直流支撑电压闭环控制，无功电流由网侧电压闭环控制。当网侧电压跌落时，无功电流将会根据电网电压的跌情况与设定值的偏差自动增加，向系统送出大量无功，稳定电网电压。电网电压被抬高之后，有功电流不变的情况下，变流器向系统馈出的能量仍能达到平衡，而无须投入撬棒单元。如果电压跌落过大，在额定功率因数时电流达到限制值后，仍无法全部送出机侧能量，出现直流支撑电压过高，则再投入撬棒。这样一方面减少了撬棒投入次数，另一方面在电网电压波动时，向系统提供了大量无功，更有利于电网恢复，同时，还满足了电网对风力发电机组恒电压运行的要求，为实现AVC功能提供了可能。五、结束语随着风电开发的推进，风电装机规模不断增大，为维护电网的稳定，电网对风电运行的稳定性及无功电压控制方面提出了更高的要求，只有解决好了风电机组对电网的不利影响才能使这种清洁能源得到更好、更快的发展。参考文献：【1】张宪平，直驱式变速恒频风力发电系统低电压穿越研究，大功率变流技术，2010第4期.【2】马鹏，风电场低电压穿越研究，云南电力技术，2011第39期.【3】汪令祥，永磁同步直驱型全功率风机变流器及其控制.