第六讲电网故障下风力发电机组的运行控制

第六讲电网故障下风力发电机组的运行与控制黄科元

博士2011年4月湖南大学电气与信息工程学院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(LowVoltageRideThrough，LVRT)能力。背景永磁同步电机的低电压穿越二主要内容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

三相电压不对称跌落

电力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

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

(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)增加变流器容量。

PMSG实现LVRT的硬件拓扑方法

1)耗能法

2)储能法

c)增加容量

1）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。其他辅助策略1）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。电网故障下DFIG风电系统运行DFIG风电机组能够在电网出现连续对称或不对称故障时仍保持不脱网穿越运行（Fault-RideThrough，FRT）！GRIDCODE要求非理想电网条件下（电网电压对称跌落、不平衡等故障）风机单机容量增加（MW级）电网故障下DFIG风电系统运行转子侧变换器网侧变换器定子电压定向（SVO）定子磁链定向（SFO）定子电压定向（SVO）传统矢量控制理想电网定向基准为电网电压电网故障时将失控隐患！电网故障下变速恒频双馈异步风力发电机的运行和控制考虑到两ＰＷＭ变换器的控制方式∶电网故障下DFIG风电系统运行不同电网故障下DFIG的控制策略@小值电网电压对称故障，采用改进SFO、SVO控制策略；小值电网电压不对称故障，采用基于SFO、SVO的新型不对称控制策略；大值电压跌落或严重电压不平衡时，以保护有限容量变换器不过流和直流环节无过电压为目标的快速短接保护(Crowbar)技术。拓展的DFIG“低电压穿越（Low-VoltageRide-Through，LVRT）”运行DFIG低电压穿越运行的控制目标：

(1)保持电网故障期间不脱网运行，以防发电机从电网解列引发弱电网更大的后继故障；

(2)保持连续、稳定地提供无功功率以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能；

(3)释放故障能量，抑制短路电流，保护励磁变频器和直流母线电容；

(4)保持电磁转矩瞬态幅值在转轴和齿轮可承受范围之内(约2～2.5倍额定转矩)；

(5)延缓转速上升，防止飞车。电网故障下DFIG风电系统运行带Crowbar保护的变速恒频双馈异步风力发电系统示意图电网故障下DFIG风电系统运行提出新型双dqPLL

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Us分解为正序向量Us+和负序向量Us-，分别变换到正向同步旋转d+q+坐标系和反向同步旋转dq坐标系中，以实现正、负序间的解耦；再通过分相序调节，获得正序和负序分量的频率、相位和幅值，为风电机组的故障运行提供依据。

电网故障下DFIG风电系统运行工作展望后续研应集中在真实电网条件下的运行控制,包括电网电压跌落下的低电压穿越以及电网不对称故障下的运行控制,以获得具有自主知识产权的关鍵技术。构建适用于广义低电压穿越（LVRT）运行的DFIG风电机组控制模型。即电网故障、电压不平衡下，包括DFIG本体、转子侧变换器、网侧变换器在内完整的DFIG风电机组

正、负序d-q轴控制模型，以形成整个DFIG风电系统故障穿越运行分析、控制方案设计的依据。DFIG风电系统后续研究工作展望DFIG风电机组的运行控制主要是功率控制，因此电网故障不平衡电压下正序、负序、有功、无功功率指令的控制算法、根据功率指令形成的正、负序d-q轴电流的快速有效调节、以及如何综合分量电流最终形成实际电流控制指令而又保证转子侧变流器不过流是实现风电系统广义低电压穿越的技术核心和实现基础。

DFIG风电系统后续研究工作展望研究快速短接保护装置的优化电路结构投入和切除时间的选择网侧变换器的无功补偿控制对形成大值电网电压故障下DFIG风电机组的有效保护、有利于电网故障后电网电压的快速恢复十分关键。

DFIG风电系统后续研究工作展望风电机组的运行控制多采用电网电压定向的矢量控制,为获得控制基准,常采用鎖相环对电网电压频率、相位进行检测。

电网故障下电压不对称,包含负序分量及各类谐波,必须研究故障电网条件下的全新锁相环技术@,以构成不对称电网条件下正、负序系统分解的基础和实施有效控制的前提。DFIG风电系统后续研究工作展望@故障电网条件下的全新锁相环技术研究已获得初步成果并已申请专利保护.

电网故障时不平衡电压系