直驅風力發電系統低電壓穿越技術

摘要：為提高直驅式變速恒頻風電系統的故障穿越能力，采用直流側過壓保護Crowbar電路，使電網電壓跌落時風機能夠正常運行，故障消除后系統能快速恢復至額定輸出。在電壓跌落期間，控制網側變流器發出無功功率，即運行STATCOM模式，快速向電網提供無功功率，穩定電網電壓，幫助電網電壓快速恢復。據此提出基于Crowbar卸荷電路和STATCOM運行策略的直驅風力發電系統的低電壓穿越(LVRT)方案，并進行了實驗驗證。
關鍵詞：風力發電；低電壓穿越；保護電路

1 引言
隨著風力發電系統裝機容量的增加，電網對風力發電系統提出了新的要求，即LVRT能力。由于直驅風力發電系統無需高速齒輪組，其運行效率高，對電網沖擊小，因此引起了國內外的廣泛關注。尤其是發電機通過全功率整流器與電網隔離，故應對電網故障的能力更強，與DFIG風力發電系統相比，更容易實現LVRT。

2 原理與設計
直驅系統在電壓跌落期間實現其故障穿越，可通過以下兩方面完成：①在直流側增加Crowbar電路，即直流電壓斬波電路。電壓跌落期間，變流器的輸出電流會迅速增大，當增加到變流器的限流閾值時，其功率輸出達到極限，此時輸出功率將小于輸入功率，直流母線電壓將會升高。該方法可匹配變流器無法輸出的那部分功率，從而維持功率守恒，限制直流母線電壓的增加；②在電壓跌落期間，控制網側變流器發出無功功率即運行STATCOM模式，快速向電網提供無功功率，穩定電網電壓，幫助電網電壓快速恢復。
典型的直流電壓Crowbar電路如圖1所示。該電路實現電阻變換模塊的原理是：在保持直流電壓恒定的條件下，調節開關的占空比，實現不同的功率輸出，等效于直流側的一個可變電阻。

控制網側變流器運行STATCOM模式的核心問題是在變流器功率等級一定的條件下如何分配有、無功的電流指令。變流器輸出功率不僅受網側電壓的限制，而且受變流器輸出最大電流Ismax的限制。設，id，iq分別為有、無功電流。無功指令可根據電壓跌落的程度向電網輸出不同的無功功率，跌落越嚴重，變流器提供的無功越大，從而幫助電網快速恢復。圖2提供了一種帶有Crowbar保護的STATCOM運行控制算法。