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1、直驱永磁同步风力发电系统低压穿越技术【摘要】风能作为一种清洁能源，风力发电技术日益成熟，随着风力发电占发电系统比例不断增加，风力发电系统对电网电能质量影响也比较突出。在电网电压发生故障时，要求风力发电系统能够正常运行且为电网提供无功功率，由此引起发电机输出功率与输入电网的功率不平衡，对风电机组造成损坏，本文主要研究直驱永磁同步风力发电系统在电网电压跌落时能够通过控制策略实现低压穿越。【关键词】风电系统；低压穿越；风电并网；直驱永磁同步电机0引言随着现代科学技术的发展，能源的消耗日益增加，煤、石油、天然气等不可再生能源存储量日益减少，发展可再生
2、能源是解决能源问题的重中之重，风能作为一种清洁能源，随着电力电子技术的发展，百年来发展比较成熟。风力发电系统的装机容量也日渐增加，风能经过风力机转换为机械能带动电机转动在经过变流器得到与电网同频的交流提供给电网。风电系统现在用的比较广泛有双馈感应风电系统和直驱永磁同步风电系统，由于直驱永磁同步风电系统不需要齿轮箱，节省了维修费用，所以直驱风电系统更具有优势，本文研究直驱永磁风力发电系统。随着风力发电的比重增加，需要考虑电网电压发生变化时对风力系统的影响，以及风力系统对电网的影响。而世界各国的电网运营商制定并网准则对并网风电场的输出的特性作出严
3、格规定，并网导则中一项重要内容为要求风电场具有低压穿越能力［1］。1低压穿越低压穿越(LVRT-LowVoltageRideThrough),是指在电网电压突然降落时，风力系统在不解列的情况下，继续给电网提供所需的无功功率，直到电网恢复正常，风力发电系统恢复正常运行的过程。从电力系统稳定性分析，如果在电网发生电压跌落时，风力系统保护装置启动，直接从电网解列，兆瓦级风力发电系统将造成电网崩溃，为此研究直驱永磁同步风力系统的低压穿越［2］,具有重要意义。需要采取一定的保护措施对网侧变流器进行过流保护，网侧一般是采用改进前馈控制方案，主要任务是控制
4、系统使得机侧变流器和网侧变流器两侧功率平衡。但是如果严重故障时，仅靠控制系统的调节，不能解决问题，常用的是采用Crowbar保护电路，在电网电压发生突降时，能够提供吸收多余能量的通道，使得系统功率平衡。电网电压突降，机侧输出功率不变,网侧输入功率突降，造成系统输出输入功率不平衡,造成直流母线电容电压上升。要研究解决办法，现将系统功率关系研究。设风力机产生的机械能为Pz,最大机械功率为Pm,永磁同步电机输出功率为Pg,注入电网功率为Pso忽略损耗的情况，正常工作Pm=Pg=Ps,系统功率平衡。方法一：通过变桨距角实现低压穿越，电网电压突降，输出
5、电网的功率减小，电流不能突变，系统流入电网的功率降落比与电网电压降落比成正比，发电机输出功率大于输入电网功率，调节桨距角控制使得功率平衡。由式(1)(2),及图1得到，不同B都存在最佳叶尖速比，在最佳叶尖速比时获得最大输出功率。在电压跌落时,控制B减小，就可以减小发电机输出功率，使得功率平衡。等到电网恢复时，再控制B,使工作在最大风能利用率，输出最大功率。风力发电系统将通过风力机实现风能转换为机械能，风能转换率设为CP,CP是关于桨距角B和叶尖速比入的函数如下式：方法二：chopper电路，通过增加chopper电路，解决低压穿越问题，如图2
6、所示。当电网正常工作时，chopper电路不起作用，当电网电压跌路，由功率不平衡，引起Ude突然增加，采用chopper电路，电阻将多余的能量消耗，如果不能完全消耗，再采用桨距角控制。图3为chopper电路控制原理，通过功率比较，判断差值，通过占空比计算得到脉冲，控制chopper电路中的全控器件，实现控制。方法三：STATC0M,静态无功补偿方法解决低压穿越，正常情况时，无功功率给定值Q*等于0,i*q为0,网侧变流器功率因数为0,只向网侧提供有功功率；发生电压跌落故障时，改变Q*,实现对电网提供无功功率和有功功率。方法四：Crowbar
7、保护电路，低压运行方案有在直流母线侧电容端增加Crowbar保护电路，如图4所示，实现能量的有效利用。电容与储能装置通过IGBT连接，当电容电压低时，IGBT导通，储能元件将能量送到电容，当电容电压增加时，IGBT导通，电容将多余的能量送给储能元件，这样能量利用率高。但是电路中增加了储能元件，费用增加；还可以电网侧和直流母线侧增加辅助变流器的Crowbar保护电路，如图5所示。图4直流母线电容端增加CrowbarFig.4ThedebuscapacitorincreasestheCrowbar图5有储能装置的Crowbar保护电路Fig.5C
8、rowbarprotectioncircuitwithenergystoragedevices网侧变流器采用全控器件IGBT,考虑到器件过流能力，必须在电网电压跌落
