1 引言
并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是近十年來國際上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備最大的區(qū)別在于，其在電網(wǎng)故障期間并不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常不利。電網(wǎng)故障是電網(wǎng)的一種非正常運行形式，主要有輸電線路短路或斷路，如三相對地，單相對地以及線間短路或斷路等，它們會引起電網(wǎng)電壓幅值的劇烈變化。
雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組是目前國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型，其發(fā)電設(shè)備為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，現(xiàn)有的保護(hù)原則是將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)立即從電網(wǎng)中脫網(wǎng)以確保機(jī)組的安全。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。人們越來越擔(dān)心，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行（fault ride-through），并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，也就是說，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定低電壓穿越(low voltage ride-through)能力。為此，國際上已有一些新的電網(wǎng)運行規(guī)則被提出。例如：德國北部的電力公司(e.on netz公司)要求風(fēng)電場能夠在圖1所示的電壓范圍內(nèi)(即圖中陰影區(qū))不脫網(wǎng)運行[1][33]，電網(wǎng)電壓跌落到15%以后風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運行時間須持續(xù)達(dá)300ms，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于曲線后才允許風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。這里電壓指的是風(fēng)電場連接點的電壓。而為英國部分地區(qū)供電的national grid電力公司則要求當(dāng)高于200kv的輸電線路發(fā)生故障時，所有并網(wǎng)運行的電站或風(fēng)電場必須在140ms內(nèi)保持不脫網(wǎng)運行^[2]。另外蘇格蘭電力公司(scottish hydro-electric公司)對電網(wǎng)故障時電站或風(fēng)電場不脫網(wǎng)運行也有類似的要求^[3]。

圖1 e.on netz公司對電網(wǎng)故障時風(fēng)電場不脫網(wǎng)運行的電壓范圍要求^[33]

為了提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，必須針對當(dāng)前主流風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運行特點進(jìn)行研究，研究它們在電網(wǎng)故障與故障恢復(fù)過程中的暫態(tài)行為，消除或減輕在不離網(wǎng)控制情況下可能引起的機(jī)組損害。許多文獻(xiàn)[4-7]報道了在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產(chǎn)生振蕩。這是因為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉(zhuǎn)子過壓與過流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因為在定子電壓中含有負(fù)序分量，而負(fù)序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。為了保護(hù)發(fā)電機(jī)勵磁變流器，采用過壓、過流保護(hù)措施勢在必行。
為了保證電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及其勵磁變流器能安全不脫網(wǎng)運行，適應(yīng)新電網(wǎng)運行規(guī)則的要求，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)原理與控制策略進(jìn)行了大量研究。據(jù)文獻(xiàn)的報道，當(dāng)前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)（crowbar protection），二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵磁控制算法。下面逐一分析介紹。

2 轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)^[8]
這是目前一些風(fēng)電制造商采用得較多的方法，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路的旁路（釋能電阻）保護(hù)裝置,達(dá)到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行（此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動機(jī)方式運行）。
目前比較典型的crowbar電路有如下幾種：
(1) 混合橋型crowbar電路^[9]，如圖2所示，每個橋臂由控制器件和二極管串聯(lián)而成。

圖2 混合橋型crowbar

勵磁變流器在電網(wǎng)故障期間，與電網(wǎng)和轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接，因而在故障期間和故障切除期間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)都能與電網(wǎng)一起同步運行。當(dāng)電網(wǎng)故障消除時，關(guān)斷功率開關(guān)，便可將旁路電阻切除，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入正常運行。
采用crowbar電路的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)存在這樣一些缺點：首先，需要增加新的保護(hù)裝置從而增加了系統(tǒng)成本；另外，電網(wǎng)故障時，雖然勵磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組得到了保護(hù)，但此時按感應(yīng)電動機(jī)方式運行的機(jī)組將從系統(tǒng)中吸收大量的無功功率，這將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化，而且傳統(tǒng)的crowbar 保護(hù)電路的投切操作會對系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。文獻(xiàn)[1]提出了改進(jìn)方案，該方案與傳統(tǒng)方案的區(qū)別在于：在轉(zhuǎn)子短路保護(hù)電阻切除后，將轉(zhuǎn)子電流控制指令設(shè)定為該時刻轉(zhuǎn)子電流的實際值，從而防止由于轉(zhuǎn)子電流控制器指令電流與實際電流不等而引起的暫態(tài)沖擊。然后通過逐漸改變轉(zhuǎn)子電流指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流控制器的軟起動。在轉(zhuǎn)子電流控制器的作用下發(fā)電機(jī)將逐步恢復(fù)到正常運行。這緩解了crowbar保護(hù)電路的投切操作對系統(tǒng)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊，在一定程度上縮短了發(fā)電機(jī)低電壓穿越的過渡時間。但該文獻(xiàn)僅限于研究對稱故障發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行，未討論電網(wǎng)故障運行初始條件對不脫網(wǎng)運行效果的影響。

3 引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
除了上述典型crowbar技術(shù)的應(yīng)用外，一些文獻(xiàn)還提出了一些新型低壓旁路系統(tǒng)，如圖5、圖6所示。

圖 5 新型旁路系統(tǒng)

圖6a) 并聯(lián)連接網(wǎng)側(cè)變流器

圖6b) 串聯(lián)連接網(wǎng)側(cè)變流器

3.1 新型旁路系統(tǒng)^[11-13]
如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。 在正常運行時，這些可控硅全部導(dǎo)通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)期間，轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網(wǎng)故障電壓大跌落所引起的的轉(zhuǎn)子側(cè)大電流沖擊，轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器選用電流等級較高的大功率igbt器件，這樣來保證變流器在電網(wǎng)故障時不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復(fù)時，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會達(dá)到電壓跌落前的幾倍。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)便能迅速地與電網(wǎng)達(dá)到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接。這樣可以減小對igbt耐壓、耐流的要求。對于短時間內(nèi)能夠接受大電流的igbt模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)運行時間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計crowbar電路，在直流側(cè)安裝電阻來作吸收電路，將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)。
這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性?？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關(guān)斷，這要求很大的門極負(fù)驅(qū)動電流，驅(qū)動電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型igbt的話，igbt必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型igbt的話，通態(tài)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關(guān)的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運行，因此對電網(wǎng)恢復(fù)正常運行起不到積極的支持作用。
3.2 串聯(lián)連接變流器
通常雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的背靠背式勵磁變流器采用如圖6a)所示的與電網(wǎng)并聯(lián)方式^[13-16]，這意味著勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻(xiàn)[17]提到了一種新的連接方式，即將變流器與電網(wǎng)進(jìn)行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機(jī)定子端的串聯(lián)變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子端的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網(wǎng)電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生，減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動的影響，達(dá)到強(qiáng)化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復(fù)雜。

4 采用新的勵磁控制策略
從制造成本的角度出發(fā)，最佳的辦法是不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，而是通過修改控制策略來達(dá)到相同的低電壓穿越效果：在電網(wǎng)故障時，使發(fā)電機(jī)能安全度越故障，同時變流器繼續(xù)維持在安全工作狀態(tài)。
文獻(xiàn)[18]利用數(shù)值仿真的方法對電網(wǎng)三相對稱故障時發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行的勵磁控制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)提高現(xiàn)有雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制器中pi 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，能夠在一定范圍內(nèi)維持電網(wǎng)故障時發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行。然而該文獻(xiàn)未對故障時發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行的范圍進(jìn)行詳細(xì)地研究計算。該文獻(xiàn)提出的方法僅適用于系統(tǒng)對稱三相故障引起發(fā)電機(jī)母線電壓輕微下降時保持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行，當(dāng)故障引起發(fā)電機(jī)母線電壓嚴(yán)重下降時，勵磁變流器將出現(xiàn)過電壓和過電流。文獻(xiàn)[19]則利用硬性負(fù)反饋的方式補(bǔ)償發(fā)電機(jī)定子電壓和磁鏈變化對有功、無功解耦控制性能的影響，該方案能夠在一定程度上提高雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在輸電系統(tǒng)故障時的運行特性，并能夠在一定范圍內(nèi)限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，保護(hù)轉(zhuǎn)子勵磁變流器。但該方案對轉(zhuǎn)子電流的有效控制是在提高轉(zhuǎn)子電壓的前提下實現(xiàn)的，考慮到轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器輸出最大電壓的限制，該方案僅適用于輸電系統(tǒng)故障引起發(fā)電機(jī)電壓輕度驟降的場合，對于引起發(fā)電機(jī)定子電壓嚴(yán)重驟降的電網(wǎng)故障，該方案會由于轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器無法提供足夠高的勵磁電壓而失去對轉(zhuǎn)子電流的控制。另外，文獻(xiàn)[20]還建議充分利用發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)故障過程中對電網(wǎng)電壓的支持作用，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)側(cè)變流器的控制提高電網(wǎng)故障時發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行的控制效果。
文獻(xiàn)[27-32] 提出了一種滅磁保護(hù)原理。在理解電網(wǎng)短路故障時發(fā)電機(jī)的暫態(tài)物理過程的基礎(chǔ)上，提出了電網(wǎng)短路故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運行的勵磁控制策略。為保證故障期間雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁變頻器安全運行，新的勵磁控制策略針對故障過程中發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)特點，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁鏈(故障暫態(tài)時該磁通只通過漏磁路徑，是漏磁鏈)以抵消定子磁鏈中的“有害”暫態(tài)直流分量對轉(zhuǎn)子側(cè)的影響。
文獻(xiàn)以仿真和小容量試驗驗證了該控制策略在電網(wǎng)對稱故障下的正確性，并分析了各種因素對控制效果的影響。文獻(xiàn)[32]對基于滅磁保護(hù)原理的勵磁策略進(jìn)行的深入分析表明，故障前初始條件（定子電壓和轉(zhuǎn)差率）對本控制策略的故障效果影響非常大，隨著故障前定子電壓的增加，轉(zhuǎn)子電流可能無法控制在滿足勵磁變流器安全要求的最大暫態(tài)電流峰值之內(nèi)，只有故障前初始條件處于可控運行范圍內(nèi)時，在故障勵磁控制的作用下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障電流才能夠控制在2.0pu的安全范圍。

5 結(jié)束語
本文通過對國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界在電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)原理與控制策略進(jìn)行研究分析，得出以下幾點結(jié)論，為實際應(yīng)用中具體設(shè)計提供參考。
(1) 電力系統(tǒng)要求雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)能在電網(wǎng)故障時保持不脫網(wǎng)運行，并對電網(wǎng)穩(wěn)定性提供支持。因此在導(dǎo)出發(fā)電機(jī)基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析電網(wǎng)故障過程中發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)變化過程，研究適應(yīng)小值電網(wǎng)故障情況的新勵磁控制策略，即出現(xiàn)不嚴(yán)重的電網(wǎng)故障時，電壓跌落未嚴(yán)重到一定程度的情況下，通過一定的勵磁控制方法，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)和變流器安全度越短時低電壓故障，而不必需要觸發(fā)crowbar電路來進(jìn)行發(fā)電機(jī)和變流器的保護(hù)。
(2) 在大值瞬態(tài)故障下一般需要使用crowbar這種短接保護(hù)措施來保護(hù)發(fā)電機(jī)和變流器。因crowbar電路觸發(fā)后和電網(wǎng)故障恢復(fù)時，一般轉(zhuǎn)子電壓和電流會瞬態(tài)跳變，然后衰減。利用仿真工具分析比較目前各種crowbar電路的優(yōu)劣，從成本，可靠性和可能達(dá)到的最佳性能指標(biāo)，工作極端環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行比較改進(jìn)，優(yōu)選出最佳方案，減小電壓跌落情況下觸發(fā)crowbar電路時轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流跳變幅度。
(3) 電網(wǎng)運行時經(jīng)常出現(xiàn)的是不對稱故障情況，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障時，會使過壓、過流的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因為在定子電壓中含有負(fù)序分量，而負(fù)序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。然而目前嚴(yán)重故障下進(jìn)行的研究大都是針對電網(wǎng)對稱故障的情況，無法滿足實際電網(wǎng)故障情況要求，不能實現(xiàn)工程實際應(yīng)用。因此，考慮電網(wǎng)不對稱故障下，發(fā)電機(jī)的控制模型和算法有待于進(jìn)一步改進(jìn)研究。

作者簡介
臧曉笛 女 現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)學(xué)院碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電。

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