一种电网中风力发电机的保护方案探讨

郎朗

随着全世界对环境的关注，越来越多的人更加关注可再生能源技术。使用风力涡轮机发电是一种来自可再生能源的发电方式。最多的常见的风力机类型是定速风力机，感应发电机直接与电网相连。然而，这个系统有许多缺点。主要体现在，无功功率和电网电压水平不能根据叶片旋转而改变其功率变化。

当我们使用变速风力涡轮机时，这些涡轮机改进了水轮机的动态特性及低噪声而降低风速。变速涡轮发电比定速涡轮高，因为它们可以在每种风速下的最佳转速。其他得优点还有就是变速风力涡轮机是减少机械损耗的，它提高了电能质量，并且补偿了用于扭矩和功率脉动。由于需要电力电子转换器，变速涡轮机的缺点是使风力发电机电气系统更为复杂。

由于需要转换器，变速涡轮机的价格往往高于恒速涡轮机。获得变速的一个简单方法是在发电机的定子电路和电网之间直接连接一个转换器。该转换器必须根据涡轮机的额定功率进行设计。与变频器与定子相连的水轮机相比，双馈发电机具有许多优点。由于变频器的额定功率通常占系统总功率的25%，而发电机的转速范围约为同步转速的33%，因此变频器更便宜。此外，逆变器滤波器更便宜，因为它们的额定功率也是总功率的25%。此外，功率因数控制可以以较低的成本实现，因为双馈发电机的运行基本上类似于同步发电机。

变速风力发电机的一个主要缺点是在电网故障时运行，特别是对于带双馈发电机的风力发电机。电力系统中的故障，即使远离风机的位置，也可能导致风机连接点的电压骤降。电网电压的下降将导致双馈发电机定子绕组中的电流增加。由于定子和转子之间的磁耦合，这种电流也会流过转子电路和电力电子变换器。这可能导致转换器损坏。可以尝试通过变频器转子侧的电流控制来限制电流；但是，这将导致变频器终端的高电压，这也可能导致变频器的损坏。

在世界范围内，人们有一个雄心壮志，即安装大量的风力发电设备，并提高风力涡轮机产生的能源消耗份额。与网格的交互变得越来越重要。这可以理解为如下，当所有风力涡轮机在电网故障时断开时，这些可再生发电机将不同于传统的发电厂，无法在电网故障期间和之后立即支持电网的电压和频率。这将导致系统稳定性的主要问题。因此，全世界都认识到，为了在不影响系统稳定性的情况下实现风能的大规模应用，涡轮机应在发生故障时与电网保持连接。它们应该类似于传统的发电厂，在故障排除后立即为频率和电压支持提供有功和无功功率，通常在一秒钟之内能实施动作。

本文提出了一种使风力发电机组在电网故障时，利用双馈发电机保持并网的方法。解决方案的关键是限制转子中的高电流，并通过一组与转子绕组相连的电阻器为其提供旁路。有了这些复位器，就可以在不断开涡轮机与电网的情况下，在电网故障中生存下来。由于发电机和变频器保持连接，因此故障期间和故障后的运行同步保持不变，故障排除后可以立即继续正常运行。已经制定了一种控制策略，负责恢复正常运行。如果没有这种过渡控制，就会产生极大的瞬间功率。

当DIP 持续时间超过几百毫秒时，可以断开短路电阻，系统可以在降低的电网电压下恢复正常运行。甚至可以在故障发生时向电网提供无功功率。传统的保护方案仅给出了干扰期间转子电压和电流行为的有限信息，而这些信号在干扰期间很重要。转子电流或电压过高可能会破坏转子电路中的转换器。本文主要研究双馈发电机转子侧信号，用变换器将双馈发电机的转子电路与电网相连，而定子电路则直接与电网相连。转换器必须能够在两个方向上传输能量。无论转子功率的大小和方向如何，电网侧变流器必须控制直流链路电压，而转子侧变流器必须控制转子电流。对于转换器模型，假设转换器是理想的。它们精确地产生由控制器设置的参考电压信号。此外，本文还讨论了故障时向电网提供无功功率以支持电压恢复的可能性。首先，简短地介绍了一些关于系统建模的信息。然后，描述了控制器。通过对电压暂降的简要讨论，给出了论证结果，证明了该保护方案的有效性。