第六讲_电网故障下风力发电机组的运行控制

1、第六讲电网故障下风力发电机组的电网故障下风力发电机组的运行与控制运行与控制2011年年4月月随着风电机组在电力系统中的增加和单机容量的快速提高，发电机与电网之间的相互影响也越来越大，必须将风力发电机与电网作为一个整体来实施运行控制。为此，各大电力公司、特别是欧洲的电网运营商纷纷出台了风力发电设备的并网规范，并且从电力系统稳定的角度出发，要求发电机组在电网故障、电网电压跌落时能够保持不脱网运行，即要求风电机组具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through， LVRT)能力。背背 景景永磁同步电机的低电压穿越二电网电压跌落的危害一双馈电机的低电压穿越三欧洲E.ON标准中的LVRT

2、能力曲线该标准规定了在电网电压跌落到某一幅值时，风力发电机能否跳机，以及与电网该标准规定了在电网电压跌落到某一幅值时，风力发电机能否跳机，以及与电网维持连接多长时间方可跳机。维持连接多长时间方可跳机。仅当电网电压在时间或数值上处于图示曲线下方时，风机才允许解列；而在曲线以上区域，风机应保持并网，等待电网恢复。在图中可以看到，当电压跌落到15%45%时，要求风机一直提供无功支持，并应能保持并网至少625ms。而在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。 三相电压对称跌落电网故障的主要类型电网故障的主要类型 00.511.5-2-1012t/(s)Uabc/(p.u)三相电压不对称跌落 电力

3、系统故障往往会导致风电机组机端电压降低，引起机组定子和转子电流增加，直流电压快速升高，电机转子加速等有可能损坏机组元器件的一系列问题，进而导致风电机组的保护性切机，这会引起电网的扩大化故障，给电网的恢复稳定运行造成严重的负面影响。 电压跌落的危害电压跌落的危害 0 0.20.40.60.8100.511.5t/(s)Um/(p.u)0 0.20.40.60.810.80.911.11.2t/(s)Udc/(p.u)0 0.20.40.60.81-2-1012t/(s)iabc/(p.u) a)电网电压峰值(标幺值) b)直流母线电压(标幺值) c)网侧电流(标幺值) 在电网电压突降的瞬间，风电

4、机组的能量无法完全输出到电网，剩余的能量一部分转化为转子动能、一部分通过给变流器直流侧电容充电转化为电势能、此外也有可能通过储能/耗能电路释放；这个能量释放的过程很容易引起转子的超速、机端交流电压的升高和直流侧电容电压的升高，严重威胁风机机组和变流器器件的安全。解决低电压过程中转子超速、交流电压和直流电压的升高，是PMSG实现LVRT的主要问题。 永磁同步发电系统低电压保护策略永磁同步发电系统低电压保护策略 (1)在直流母线上接耗能单元，当检测母线电压过高时消耗掉多余的能量。(2)在直流母线上接额外的储能单元，当检测直流母线电压过高时转移多余的能量，故障恢复后将所存储的能量馈入电网。(3)增加

5、变流器容量。 PMSG实现实现LVRT的硬件拓扑方法的硬件拓扑方法 1) 耗能法 2) 储能法 c) 增加容量 1 1） 桨距角控制桨距角控制在发生电网电压跌落故障时，引用紧急变桨控制，使风力机的桨距角迅速在发生电网电压跌落故障时，引用紧急变桨控制，使风力机的桨距角迅速增加，从而使风力机所捕获的机械转矩迅速减小，减少风力发电系统增加，从而使风力机所捕获的机械转矩迅速减小，减少风力发电系统机侧变流器的输出功率，缓解直流侧与电网侧的功率不平衡。机侧变流器的输出功率，缓解直流侧与电网侧的功率不平衡。 其他辅助策略其他辅助策略 1 1）叶尖速比控制）叶尖速比控制调整发电机的转速让风力机的叶尖速比脱离最

6、佳叶尖速比，减少风力发电调整发电机的转速让风力机的叶尖速比脱离最佳叶尖速比，减少风力发电系统机侧变流器的输出功率，亦能有效缓解风力发电系统在低电压运系统机侧变流器的输出功率，亦能有效缓解风力发电系统在低电压运行时，直流侧与电网侧的功率不平衡，实现低电压穿越运行。行时，直流侧与电网侧的功率不平衡，实现低电压穿越运行。 首先通过网侧电压的监测，一旦发现电网电压发生跌落故障，网侧变流器即刻运行低电压故障时无功补偿控制策略，直流母线电压由直流侧Crowbar限制于母线最大允许电压，并在同时调整发电机转速使其偏离最佳尖速比，减少发电机的输出功率。 定向基准为电网电压定向基准为电网电压电网故障时将失控电网

7、故障时将失控考虑到两变换器的控制方式考虑到两变换器的控制方式 DFIGDFIG低电压穿越运行的控制目标：低电压穿越运行的控制目标： (1) 保持保持电网故障期间不脱网运行电网故障期间不脱网运行，以防发电，以防发电机从电网解列引发弱电网更大的后继故障；机从电网解列引发弱电网更大的后继故障； (2) 保持连续、稳定地保持连续、稳定地提供无功功率提供无功功率以协助电网以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能；电压恢复，减小电网电压崩溃的可能； (3) 释放故障能量，抑制短路电流，释放故障能量，抑制短路电流，保护励磁变保护励磁变频器和直流母线电容频器和直流母线电容； (4) 保持电磁转矩瞬态幅值保持

8、电磁转矩瞬态幅值在转轴和齿轮可承受在转轴和齿轮可承受范围之内范围之内(约约22.5倍额定转矩倍额定转矩)； (5) 延缓转速上升延缓转速上升，防止飞车。，防止飞车。带带 Crowbar Crowbar 保护的变速恒频双馈异步风力发电系统保护的变速恒频双馈异步风力发电系统 示意图示意图提出新型双提出新型双dqdq PLL PLL 解决电网电压不对称故障下电压同步信号的有效检测解决电网电压不对称故障下电压同步信号的有效检测. .将电网电压向量将电网电压向量UsUs分解为正序向量分解为正序向量U Us s+ +和负序向量和负序向量U Us s- -，分别变换到正向同步旋，分别变换到正向同步旋转转d d+ +q q+ +坐标系和反向同步旋转坐标系和反向同步旋转dqdq