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如减小同步机电磁转矩设定值, 这样会引起发电机的转速上升, 从而达到允许转速的暂时上升来储存风机部分输入能量, 这有效地减小了发电机的输出功率。如果故障不严重, 可以不采取变桨控制;一旦电机转速上升过多或不便用上升转速来储存能量可以直接采取变桨控制。变桨可从根本上减小风机的输入功率, 有利于电压跌落时的功率平衡。这种策略结合增加器件容量的方法可进一步提高穿越裕度。
对于更长时间的深度故障, 可以考虑采用额外电路单元储存或消耗多余能量。文献[7, 11 ] 给出两种外接电路单元实现LVRT 的方案, 如图3 所示。图3 (a) 为在DC2link 上接一个储能系统, 当检测直流电压过高则触发储能系统的IGBT , 转移多余的直流储能, 故障恢复后将所储存的能量馈入电网。图3 (b) 采用Buck 变换器, 直接用电阻消耗多余的DC2link 能量。
程中, 电机电磁转矩会出现较大的波动, 对风机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风机的运行和寿命。定子电压跌落时, 电机输出功率降低, 若对捕获功率不控制, 必然导致电机转速上升[5～ 7]。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下, 即使故障切除, 双馈电机的电磁转矩有所增加, 也难较快抑制电机转速的上升, 使双馈电机的转速进一步升高,吸收的无功功率进一步增大, 使得定子端电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复, 严重时可能导致电网电压无法恢复, 致使系统崩溃[ 9, 10 ] , 这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。
2. 2 PMSG 的暂态现象
对于PM SG, 定子经ACöD CöA C 变流器与电网相接, 发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小, 而发电机的输出功率瞬时不变, 显然功率不匹配将导致DC2link (直流母线) 电压上升[ 7, 11, 12 ] , 这势必会威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定DC2link 电压, 必然会导致输出到电网的电流增大, 过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围波动时, 电机侧变流器一般都能保持可控性, 在电网电压跌落期间, 电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱系统的LVRT 实现相对DF IG 而言较为容易[ 13 ]。
3 LVRT 的实现方法
3. 1 FSIG 的LVRT 实现
电压跌落期间FS IG 的主要问题是电磁转矩衰减导致转速的飞升。其简单的结构使得能采取的措施也很有限。最简单的方法是在可靠判断出故障后, 利用快速变桨来减小输入机械转矩, 限制转速上升[ 5, 7 ]。但风机桨叶具有很大的惯性, 该方案需要风机有很好的变桨性能。
变桨控制不足之处在于无法提供无功以支持电网恢复, 鼠笼电机的运转反而需要吸收电网的无功。一般减少无功吸收的方法是按最大功率输出安装电容器组。但在风力发电这种能量波动大的场合会带来系统电压的波动, 且会磨损发电机械, 故障时临近母线会出现过电压, 因此文献[14 ] 提出采用静态无功补偿SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安装一个静态无功补偿器, 实时补偿所需无功。研究结果显示, 稳态运行波形得到改善, 提高了故障穿越能力。
文献[16 ] 提出采用静态同步补偿器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)来调节电压, 其研究结果显示在适当的额定功率下, 该方案可以实现低电压穿越。与静态无功补偿器相比, 该方法的补偿电流不依赖于连接点电压,所以补偿电流在电压下降时不会降低。然而, 由于成本的原因, 这一方案难以工程化。总的来说,DF IG 在电压跌落时面临的问题不是很大, 其LVRT 实现可以配合变桨和其他措施实现。
3. 2 PM SG 的LVRT 实现
电压跌落期间PM SG 的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。可采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。这种设计的效果需要考虑成本、电网规范以及故障深度和时间。可以考虑从变流器设计入手[ 11 ] , 选择器件时放宽电力电子器件的耐压和过流值, 并提高直流电容的额定电压。这样在电压跌落时可以把DC2link的电压限定值调高, 以储存多余的能量, 并允许网侧逆变器电流增大, 以输出更多的能量。但是考虑到器件成本, 增加器件额定值是有限度的, 而且在长时间和严重故障下, 功率不匹配会很严重, 有可能超出器件容量, 因此这种方法较适用于短时的电压跌落故障。
上面的方法考虑增大功率输出和储能以解决功率匹配。同样可以考虑减小电机的发电功率来平衡功率[ 11, 12 ]。
