低电压穿越技术的现有应用和挑战

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：1.5.2.2 直流母线方法电网电压跌落时，DFIG的定、转子绕组中感应出很大的故障电流，转子故障电流流过直流母线电容，引起直流母线电压的波动，同时电网电压降低导致网侧变换器控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网，可能导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。

最新的电网运行导则要求风电系统的低电压穿越能力不能低于被它取代的传统发电方式，所以各国的风电设备生产商以及相关科研院所都对风电设备的故障运行进行了大量研究，并提出了各种LVRT技术。按照低电压穿越硬件保护电路安装位置的不同，下面分别介绍了定子侧、直流母线、转子侧三种通过增加硬件设备实现LVRT的方法。

图1-7 欧美国家典型电网导则规定风力发电低电压运行能力曲线

1.5.2.1 定子侧的方法

在采用硬件保护电路协助双馈发电机实现低电压故障穿越的技术中，定子侧开关方法的基本思想是在电网电压跌落期间采用定子并网开关将DFIG定子从电网中暂时切除，直到电网电压恢复到一定程度时再重新并网。在定子切除期间，励磁变频器一直保持与电网连接，可利用网侧变换器向电网提供无功功率。该方法的优点是可以避免电网电压的骤降和骤升对DFIG的冲击，但是它并非真正意义上的不脱网运行，实际上由于网侧变换器的容量较小，对电网恢复的作用比较有限。

加拿大Janos Rajda等人提出一种新颖的DFIG风电机组LVRT装置及其控制方法，该装置由一系列与双向交流开关并联的电阻阵列构成，连接在DFIG定子与电网传输线之间，如图1-8所示。当电网电压正常时，所有交流开关导通；一旦检测到电网电压下降，则通过控制交流开关的触发延迟角来调节整个装置的等效阻抗，DFIG输出的电流流过该阻抗后将提高DFIG定子端电压，从而保证DFIG端电压在一定的数值之上。这种方法的优点是可以在电网电压跌落的情况下保持DFIG与电网的连接，缺点是需要大量大功率晶闸管，硬件成本较高，且电阻损耗大，目前该方法实际应用很少。

图1-8 DFIG低电压穿越用定子侧电阻阵列

C.Zhan和P.S.Flannery等人提出附加一个额外的电网侧串联变换器来提高DFIG机组的LVRT能力，其电路拓扑结构如图1-9所示，该网侧串联变换器具有以下几个功能：

1）对故障电压进行补偿，保证DFIG定子电压的稳定，具有动态电压恢复器的功能。

2）调节DFIG定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、转子电流以及有功、无功功率的振荡。

图1-9 具有电网侧串联变换器的DFIG故障穿越系统

3）将DFIG未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压泵升，这种结构在理论上能实现零电压穿越，具有优良的LVRT能力，是一种先进的LVRT技术，但也存在成本高、控制复杂等问题。

1.5.2.2 直流母线方法

电网电压跌落时，DFIG的定、转子绕组中感应出很大的故障电流，转子故障电流流过直流母线电容，引起直流母线电压的波动，同时电网电压降低导致网侧变换器控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网，可能导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。为此有必要使用直流Crowbar电路，利用电阻吸收转子侧多余的能量，防止直流母线电压过高，其电路拓扑结构如图1-10a所示。直流Crowbar电路可将母线电压泵升限制在一定数值以下，但是对由电网故障引起的直流母线电压降低则无能为力。

针对上述直流Crowbar电路的缺点，C.Abbey等人提出在电网电压跌落期间使用不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）来维持直流母线电压的方法，电路拓扑结构如图1-10b所示。UPS中的能量存储系统（ESS）使用超级电容储能，其优点是既可以在直流母线电压过高的情况下吸收直流母线上的能量，也可以在直流母线电压过低的情况下释放能量，从而可以维持直流母线电压在一定的范围之内。该方案的缺点是成本过高，限制了其商业化推广应用。

图1-10 直流母线电容保护措施

1.5.2.3 转子侧的方法

电网电压跌落时，为了保护励磁变换器，一种常用的办法是通过电阻（即增设Crowbar电路）短接转子绕组以旁路转子侧变换器，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，从而起到保护电机和变换器的作用。各种转子侧Crowbar电路的控制方式基本相似，即当转子侧电流或直流母线电压增大到预定的阈值时触发导通开关器件，同时关断转子侧变换器中所有开关器件，使得转子故障电流流过Crowbar电路，旁路转子侧变换器。

适合于DFIG的Crowbar电路有多种拓扑结构，最常见的有反并联晶闸管结构、二极管桥加晶闸管结构、混合桥型（每个桥臂由二极管和晶闸管串联而成）结构、IGBT型（在二极管桥的直流侧串入一个IGBT和一个吸收电阻）结构、IGBT桥加旁路电阻结构，本书给出图1-11中的两种典型结构。其中图1-11a表示双向晶闸管型Crowbar电路，这种结构最为简单，但其不对称结构易引起转子电流中出现很大的直流分量，不实用。图1-11b表示双向晶闸管并带旁路电阻的Crowbar电路，除电路对称外，更可利用其电阻消耗转子侧多余的能量，加快定、转子故障电流的衰减。

使用Crowbar电路的优点是可以确保励磁变换器的安全，加快故障电流的衰减，缺点是Crowbar电路动作期间将短接DFIG转子绕组，使DFIG变为笼型异步发电机运行，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将不利于电网故障的迅速恢复，而且增加了硬件设备，使得控制更加复杂。此外Crowbar电路的投入和切除时刻选择也十分重要，选择不当将一方面引起Crowbar电路多次动作，另一方面可能引起大电流冲击，这将是Crowbar技术要深入研究的内容。

图1-11 两种典型的Crowbar电路

图1-12 带钳位单元的新型Crowbar电路

2006年，西班牙GAMESA公司提出一种包含无源压敏元件的钳位单元，用于电网故障时为转子绕组提供钳位电压，并旁路转子侧变换器以保护励磁变换器，电路拓扑结构如图1-12所示。这种钳位单元的原理与上述转子侧Crowbar电路相似，其优点是可以在转子绕组上提供适当的钳位电压，将转子绕组端电压限制在一定范围内，避免转子出现过电压。

低电压穿越技术的现有应用和挑战

相关推荐