有关风力发电低电压穿越技术的分析

摘要：近些年来，风力发电在供电总量中的比重逐年增加，再加上风力穿透功率的不断上升，风力发电对于地区性电网稳定性影响越来越大，如果电网出现故障导致电压跌落，风力机组通过解列来解决问题势必会造成系统的不稳定，严重还会造成局部甚至是整个系统的全面崩溃，而低电压穿越技术就是在这个背景下开始受到各界的关注。文章首先描述了我国目前风力发电低电压穿越技术的相关规定，其次分析不同风机主要机型在电网电压跌落时表现的具体特征，最后对不同机型暂态特征以及低电压穿越技术进行了详细分析。

关键词：风力发电；低电压；穿越技术

中图分类号： TM315 文献标识码： A

1.前言

当今世界风力发电厂装机容量正处于逐年上升的态势，目前在欧美一些发达国家，风力发电在全国电网供电中所占的比重非常高，例如欧洲的丹麦风力大点比例已经超过了20%，而风力发电有比较容易产生运行故障，所以必须考虑在电网发生故障的时候风机的运行状态对整个电网稳定性的影响，所以目前世界上众多的电网公司都集合自身实际对风力发电机组并网提出了更多更高的技术性要求，而低电压穿越技术正是能够解决这个问题的新技术，而低电压穿越技术又是公认的风电机组设计中最难的一项技术，穿越技术的使用性能将会直接的影响到风机的大规模使用。

低电压穿越技术就是在风机并网点电压出现跌落现象的过程中，风机仍然能够保持并网，甚至还可能会给电网提供一定量的功率，支持电网的恢复，还有可能直接坚持到电网恢复正常。电压跌落必然会给电机带来相应的暂态过程，例如过电压、过电流或者是转速上升等现象，情况严重还会影响到风机以及风机控制系统安全运作。通常情况下如果是电网出现故障，风机就会实行被动式的自我保护程序，也就是立刻解列，还会保障风机的安全运行，这在风力发电电网穿透率相对较低的时候是可以接受的，但是一旦风力发电在整个电网中占得比重很大，那么整个系统的恢复难度就会增加，可能会增加故障产生的可能性，严重的会导致整个系统的解列瘫痪，所以有效的低电压穿越技术能够有效的稳定风场电网。

目前市场上风机的类型有三种，分别是直接并网定速异步机、同步直驱式风机以及双馈异步式风机。

2.低电压穿越技术功能介绍

低电压穿越技术是在电网电压跌落的时候要求并网风机仍然保持并网的特定运行要求，不同国家和地区对于穿越技术的要求根据自己的实际都有不同的要求，比如欧洲的德国，因为所处的地区风机密度相对较高，所以对于这一地区的低电压穿越技术风力机组的要求非常高，具体如图1所示：，

图1 德国低电压穿越技术风电机组要求

从图中可以看出，当电网的电压时间或者是数值位于图中曲线下方的时候，风机才能够解列，如果出现在曲线的上方，那么风机就必须保持并网状态以等到电网恢复正常，如果电压处于图中的阴影部分，就要要求风电机组向电网提供无功功率，电压跌落到15%—45%之间的时候，风机就要始终提供无功功率，这个时候还要保持并网状态625ms以上。而风电场必须具有功率调节能力，应该限制输出功率的变化率，最大的变化率包括1min功率变化以及10min功率变化，具体的参照《风电场接入电网技术规定》，如表格1：

从这个例子就可以看出风力发电低电压穿越技术的要求非常高，同时操作难度也相对较高。

3.不同机型风机发电机跌落暂态现象及穿越技术的实现

图2是三种不同的风力发电机基本风机类型：

图2 三种基本的风力发电机类型

3.1定速异步机穿越技术

3.1.1定速异步机跌落暂态现象

首先定速异步机的定子直接和电网连接，其次电网电压出现降落现象的时候，势必会造成电机定子端电压的下降，这个时候定子磁链就会产生直流成分，在这个过程中，如果产生的故障不对称势必会出现负序的分量，这样的话相对于高速旋转的电机来说，转子会出现比较大的转差，转子的电势会根据产生的转差大小而变化，转差越大转子电势就越大，最终也就会形成更大的转子电流。

3.1.2定速异步机穿越技术实现

电压跌落过程中，发电机主要是由于电磁转矩不断减小才导致的转速增加，因为这种风力发电机的整体结构相对简单，所以最直接的实现方法就是变桨控制技术，就是在检测电网出现故障之后，快速的变桨来减小输入的机械转矩，进而保持转速的稳定。由于风机桨叶惯性比较大，所以变桨控制对于风机变桨性能要求很高，所以首先就要安装一个静态的无功率补偿器，对各种功率等级始终提供无功补偿；其次就是通过使用静态同步补偿器来调节电网电压，这样能够让定速异步风机穿越技术得到有效提高。

3.2同步直驱式风力发电机

3.2.1同步直驱式风力发电机暂态现状介绍

相对于定速异步风力发电机来说，两者的区别就在于同步直驱式发电机定子和电网是没有直接连接的，同步直驱风力发电机是通过背靠背形式的双PWM变流器和电网间接连通的，而电网电压在瞬间跌落的时候引起的电网输出功率会减小，发电机的输出功率会暂时保持稳定，所以此时的输出功率和输入功率是不一致的，这个过程中直流母线的电压会立刻上升，直流母线电压上升势必会影响到PWM变流器的安全运行。如果采取相应的控制措施来保证直流母线电压的稳定必然会导致电网输出电流的增加，而电网输出电流过大也会影响到变流器的安全运行。

3.2.2同步直驱式风力发电机穿越技术实现

通过同步直驱风机暂态现象的分析可以明显的看出电网电压跌落的主要原因是风力发电机输入功率和输出到电网的功率不一致，进而导致电网侧的AC/DC、DC/AC变流器出现过电流或者是直流侧的母线过电压现象，总的来说是同步直驱式风机穿越技术实现的关键点就是保证电网电压跌落时输出输入功率一直，比较普遍的解决办法有两种：一种是通过较小风力发电机的输入功率来实现，当电压跌落时，控制风机变桨来降低风能吸收能力，发电机定子输出功率，让系统功率得到平衡，上面也提到这种方法的操作难度比较高，同时相应较慢；另一种是在直流侧增加crowbar来保护电路安全，电网电压跌落会吸收多余的能量，同时通过和变流器的结合保持直流电压的稳定，这样风力发电机就能够安全的运行。

3.3双馈异步式风力发电机

3.3.1双馈异步式风力发电机暂态现象介绍

和定速异步发电机相同，双馈异步式发电机定子和电网是直接相连的，所以电网电压瞬间跌落时系统产生的异常状况和定速异步机是一样的。但是双馈式风力发电机的转子上连接的有AC/DC、DC/AC的变流器，如果转子暂态电流过大就会威胁到电力电子器件的使用，如果电网电压跌落的时候，通过实行一定的控制措施来限制电流的增加，则AC/DC变流器电压就会自动升高，电压逐渐升高会影响变流器的使用寿命，还可能损坏，同时如果进出的变流器功率不一致，出现偏差则直流母线的电压就会随之上升，特别是电网在发生不对称故障的时候，电机势必会产生比较大的电磁转矩波动，进而威胁到风机齿轮箱等机械的安全运行，风力发电机的运行以及寿命都会受到严重威胁。

3.3.2双馈异步式风力发电机低电压穿越技术实现

双馈异步式风力发电机穿越技术实现方法有三种。分别是：使用转子短路保护技术实现；通过合理的控制策略实现；引入新型拓扑结构。

首先引入针对转子短路保护技术，要使用Crowbar保护电路，使用Crowbar保护电路是目前最为普遍也最为有效的一种方法，这种保护电路方法有两种具体的形式，一种是永久性的Crowbar电路，这种方法能够防止变流器过电流损坏，但是并不能在电网电压出现跌落的整个过程中对发电机的转速进行有效的运行控制；另一种是暂态式的Crowbar保护电路，暂态式电路保护能够在电网发生故障期间有效的保证风力发电机转子转速的稳定性，进而保证风力发电机在电网故障过程中保持并网运行，给发电机无功功率输出提供可靠保障；

其次是改进这种发电机的励磁控制措施，针对电网两侧的变流器低电压穿越技术实现有两个步骤：第一是增设能量存储设备，在电网电压跌落过程中，利用能量储存装置限制直流母线的过电压现象，这一方面效果很好，但是不能有效的控制转子电流的稳定；第二是增加直流侧的电容量，双馈式发电机变流器中间安装的直流电容，通过直流电容来储存能量，所以限制电压跌落势必会造成母线电压的不稳定，增大电容的容量，体积也会增加，电容升高，整个系统的动态响应就会变慢。

再者是引入新型拓扑结构，通过发电机定子端的串联来实现变流器电网之间的串联，串联之后网侧的电压和变流器输出的电压总和就能和发电机电压平衡，这样恩呢狗狗更好地消除电网电压跌落造成的定子磁链震荡，很好地限制转子电流的增加，则电网跌落时系统受到的影响就会大大减小。

5.结论

风力发电的逐年上升给电网安全运行提出了更高的要求，所以针对风力发电机相关技术的研究不会到此结束，一定会有更多新技术的出现，文章对于风力发电机低电压穿越技术的介绍分析仅仅是对一个方面的简单探讨，希望能够给这一领域提供技术支持。

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