直驱风力发电系统低电压穿越技术

摘要：为提高直驱式变速恒频风电系统的故障穿越能力，采用直流侧过压保护Crowbar电路，使电网电压跌落时风机能够正常运行，故障消除后系统能快速恢复至额定输出。在电压跌落期间，控制网侧变流器发出无功功率，即运行STATCOM模式，快速向电网提供无功功率，稳定电网电压，帮助电网电压快速恢复。据此提出基于Crowbar卸荷电路和STATCOM运行策略的直驱风力发电系统的低电压穿越(LVRT)方案，并进行了实验验证。
关键词：风力发电；低电压穿越；保护电路

1 引言
随着风力发电系统装机容量的增加，电网对风力发电系统提出了新的要求，即LVRT能力。由于直驱风力发电系统无需高速齿轮组，其运行效率高，对电网冲击小，因此引起了国内外的广泛关注。尤其是发电机通过全功率整流器与电网隔离，故应对电网故障的能力更强，与DFIG风力发电系统相比，更容易实现LVRT。

2 原理与设计
直驱系统在电压跌落期间实现其故障穿越，可通过以下两方面完成：①在直流侧增加Crowbar电路，即直流电压斩波电路。电压跌落期间，变流器的输出电流会迅速增大，当增加到变流器的限流阈值时，其功率输出达到极限，此时输出功率将小于输入功率，直流母线电压将会升高。该方法可匹配变流器无法输出的那部分功率，从而维持功率守恒，限制直流母线电压的增加；②在电压跌落期间，控制网侧变流器发出无功功率即运行STATCOM模式，快速向电网提供无功功率，稳定电网电压，帮助电网电压快速恢复。
典型的直流电压Crowbar电路如图1所示。该电路实现电阻变换模块的原理是：在保持直流电压恒定的条件下，调节开关的占空比，实现不同的功率输出，等效于直流侧的一个可变电阻。

控制网侧变流器运行STATCOM模式的核心问题是在变流器功率等级一定的条件下如何分配有、无功的电流指令。变流器输出功率不仅受网侧电压的限制，而且受变流器输出最大电流Ismax的限制。设，id，iq分别为有、无功电流。无功指令可根据电压跌落的程度向电网输出不同的无功功率，跌落越严重，变流器提供的无功越大，从而帮助电网快速恢复。图2提供了一种带有Crowbar保护的STATCOM运行控制算法。