风力发电低电压穿越技术综述

风力发电低电压穿越技术综述

赵云野

克山龙源风力发电有限公司黑龙江克山161600

摘要：随着工业化的进程加快，能源问题日趋尖锐化，世界各国都在开发新的可再生能源，利用风力发电也在全球范围内日趋盛行。我国的风电的装机容量在近几年内也获得了快速地增长。低电压穿越是风力电网中的重要技术，我国的风力电网系统的快速发展对低电压穿越技术提出了新的要求和挑战。本文分析了风力发电低电压穿越技术。

关键词：风力发电系统；低电压；穿越

1风力发电机组低电压穿越概念

当今风力发电在电力能源生产的比例中不断扩大，风电能源已经成为一种发展成熟的新型环保动力能源。近年来，国家对于风电建设的投入不断加大，风电装机容量不断增加，在以常规能源发电为基础，风力发电为补充的电能作用互补中，风力发电能够对电力供应故障做到有效的补充，但风力发电机组在电网发生故障时，向电网输出的电压频率会对电网系统造成一部分影响。因此在风力发电的过程中，需要注意对风力发电低电压穿越技术进行规范性研究，对电网功率作用、电网供电频率控制输出、风力发电低电压穿越技术进行进一步探讨，尤其是在LVRT方面进行深刻研究。

在目前各国风力发电机组的运行要求中，对风力发电低电压穿越技术的条件要求都有自成体系的规定。如美国风力发电技术中对由于电压增值导致的电网故障必须将影响深度降至15%的规范电压恒定区间内，如果在风力发电机并网发电运行过程中，以625ms不切机低压电网穿越，对电网故障可以做到无间断恢复。国内风力发电低压穿越技术的保障恒定值控制在电压增值3S区间段内，当电压额定值域达到90%的电压区间时，风力发电机组能够在并网不断线的基础上持续运行。

德国风力发电低压穿越标准是在电压出现增值故障时，风力发电机组必须对电压具有恒定控制力，在电压收缩区间降低到一定标准后，电网停止对电压进行调节，对风力发电机端电压的降低控制幅度在额定电压平均值的10%左右，发电机组也能够稳定运行，并且对电压进行有效控制。

从各国风力发电机组低压穿越电路保护模式中可以看出：

(1)风力发电站内的所有风力发电机组并网发电过程中电压降压控制在20%的情况下，仍然可以通过发电机组正常并网运行，在625ms不切机进行降压处理；

(2)风力发电站内出现线路故障3s后，电压主控锁频恢复到额定电压的90%恒定值时，风力发电机组不会出现断网切机现象，目前已经投入到风电生产的发电机组已经对风力发电低电压穿越技术能力进行专业化改造，并且具有大规模的应用。

2不同类型风机低电压穿越的现实情况

2.1定速异动电机FSIG和双馈异步式风机DFIG

FSIG和DFIG均是定子测直接连接电网，电压的跌落在电机的定子端电压上能够直接反映出来，在电压跌落的瞬间，定子磁因为不能随定子端电压变化，便出现直流成分，若是不对称故障还会引发负序分量，相对于较高的转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而产生较大的转子电流，使得转子过电压和过流的现象加重。DFIG转子侧边接有AC/DC/AC变流器，如果不控制转子电流的话，较高的转子暂态电流会损坏电力电子器件或影响其使用寿命，而如果控制转子电流，又会使变流器电压升高从而损坏变流器。因此，实现DFIG的穿越比较困难。

2.2同步直驱式风机PMSG

对于同步直驱式风力发电机，由于其定子和电网不是直接连接，是经AC/DC/AC交流器与电网连接的。电压跌落瞬间，输出功率减小，而发电机的输出功率不变，由于这种不匹配直流母线电压将会上升，这样会威胁到电子电器的安全。如果这时候采取控制措施，使直流母线的电压保持不变，又会增加输出到电网的电流，可能最终导致变流器的损坏。

3低电压穿越的实现办法

3.1FSIG的低电压穿越实现

在低电压的跌落瞬间，可以运用变浆控制来减小转矩，保持转速不发生变化。由于风机的桨叶惯性非常大，因此，风机的变桨性能必须要求很高。而且异步电机在运行时需要吸收无功，所以在操作时通常是按照最大功率输出安装电容器组来减少无功的吸收，但是这种方法也可能引起系统的电压波动，从而导致发电机械的磨损，在故障发生时还会使邻近母线出现过电压。我们采用的方法是安装一个静态的无功补偿器以实现补偿，这样能使稳态运行时的波形得到改善。还有一种方法是采用静态同步补偿器来调节电压，这样补偿的电流不会随着电压的下降而下降，低电压穿越能力得到增强。

3.2DFIG的低电压穿越实现

提高双馈异步式风力发电机的风力发电低电压穿越技术能力大致的方法可以采用转子短路保护技术、合理的控制策略风力发电低电压穿越技术，当电压跌落瞬间，通过给发电机转子安装一个提供旁路电路，为转子侧的电流提供一条通道，即crowbar电路[3]。电压跌落时，双馈异步式风力发电机的励磁变流器关闭，这时，转子侧的电流从crowbar电路通过，励磁变流器的电流和转子绕组的电压均能得到控制，发电机也能不脱网照常运行。另外，还可以通过改进双馈异步式风力发电机的励磁控制策略来实现低电压的穿越。电压跌落时，亦可限制转子电流交流分量，通过发电机定子电阻对定子磁链中的暂态直流分量灭磁，通过这样的方式也可以实现低电压穿越。

另外，还有一种方法是通过加装能量的储存装置来限制直流母线过电压。这种方法能够持续的控制电力系统，但是不足之处是无法有效地控制转子电流。

3.3PMSG的低电压穿越实现

电网电压跌落时应该注意保持输入输出功率平衡。可以通过减小风力机输入功率或者增加crowbar保护电路的方法来提高低电压穿越能力。当跌落发生时，控制风力机变桨来降低风能，减小发电机定子的输出功率；或者在直流侧增加crowbar保护电路，给多余的电流一个旁路通道，并配合网侧变流器，保持直流电压的恒定。

4风力发电机组低电压穿越性能发展趋势

电压跌落期间，直驱永磁发电机组的风力发电低电压穿越技术性能主要集中在直流电压的上升方面，采取的措施主要是解决多余的能量问题，采取的办法包括变流器的设计、额外能量的消耗等，选择具有更宽耐压和过流值范围的电子器件提高额定电压，这种方法比较适合使用在短时的电压跌落故障中。减小发电功率能偶使用在故障不严重的情况下，可以配合增加器件容量来提高穿越裕度。双馈发电机组的低电压穿越性能实现比较困难，有研究采用定子磁化电流的过程，修正模型动态量，比较常见的控制策略包括定子电压动态补偿、转子crowbar策略、短暂中断策略等。

对于风电机组的风力发电低电压穿越技术要求会极大地增加风力发电成本，因此并不能一直严格要求风力发电低电压穿越技术特型曲线，针对接入点短路容量大的强系统，并不需要多强的风力发电低电压穿越技术能力，因此需要慎重考虑低电压穿越技术要求。

5结语

随着电力科技的不断发展，人类对于可再生能源的不断探索，风力发电技术会不断取得更高的突破。在风力发电技术的核心方面，风力发电低电压穿越技术始终影响着风电供应的全过程，双馈式风力发电机的广泛应用减少了供电网络故障问题的出现，同时解决了低压电路保障的问题。由于目前风电电网故障恢复能力还处于研究阶段，风电机感应穿越的理论基础也不够成熟，因此，在通过对电压采取降压处理的方法下，对于风力发电低电压穿越技术的研究是一个新型课题。

参考文献：

[1]洪书娟.陈媛.王瑞鲜.双馈风力发电系统低电压穿越的建模与控制[J].变频器世界，2012（10）：51-54.

[2]和立辉.尹忠东.双馈型风力发电机低电压穿越的探讨[J].科技风，2012（15）：10-10.