對風力發電機組低電壓穿越技術的探析

湖南省株洲市電力機車研究所 王 躋 羅 成 鄔冬臨

隨著全球能源結構的調整，世界各國對于新能源的開發和利用正不斷進行。在目前，新能源的主要研究方向在于對可再生資源的利用進行充分研究，這一類清潔能源具有分布廣泛，高效高能，零排放的特點，尤其像風能資源在我國可再生能源的研究領域具有非常廣泛的應用空間。風力發電機組穿越功率隨著科技的進步而不斷擴大，目前我國風力發電產業已經確定了基本的功率穿越能力的標準范圍，雙饋式風力感應發電機組的應用，以高效的功率穿越能力和較小的變流器容量，在當前我國風力發電建設中是一項新的技術性突破。由于變流器在恒定發電容量中具有調節控制的特點，因而以此為技術的新型雙饋風力發電機成為主流的風力發電機。雙饋風力大電機組具有電網波動的抗敏性，這個特點使其在低壓功率穿越實驗中成為重要課題。

一、風力發電機組低電壓穿越概念

當今風力發電在電力能源生產的比例中不斷擴大，風電能源已經成為一種發展成熟的新型環保動力能源。近年來，國家對于風電建設的投入不斷加大，風電裝機容量不斷增加，在以常規能源發電為基礎，風力發電為補充的電能作用互補中，風力發電能夠對電力供應故障做到有效的補充，但風力發電機組在電網發生故障時，向電網輸出的電壓頻率會對電網系統造成一部分影響。因此在風力發電的過程中，需要注意對低壓穿越技術進行規范性研究，對電網功率作用、電網供電頻率控制輸出、低壓電網穿越技術進行進一步探討，尤其是在LVRT方面進行深刻研究。

在目前各國風力發電機組的運行要求中，對低壓穿越的條件要求都有自成體系的規定。如美國風力發電技術中對由于電壓增值導致的電網故障必須將影響深度降至15%的規范電壓恒定區間內，如果在風力發電機并網發電運行過程中，以625ms不切機低壓電網穿越，對電網故障可以做到無間斷恢復。國內風力發電低壓穿越技術的保障恒定值控制在電壓增值3S區間段內，當電壓額定值域達到90%的電壓區間時，風力發電機組能夠在并網不斷線的基礎上持續運行。

德國風力發電低壓穿越標準是在電壓出現增值故障時，風力發電機組必須對電壓具有恒定控制力，在電壓收縮區間降低到一定標準后，電網停止對電壓進行調節，對風力發電機端電壓的降低控制幅度在額定電壓平均值的10%左右，發電機組也能夠穩定運行，并且對電壓進行有效控制。一般電壓端主控是采用電壓調節器對發生故障20S范圍內進行單項短路支撐，并且通過功率轉換對電壓進行補償，使無功率電壓進行實效運行，電壓補償是采用雙倍過量補償。

從各國風力發電機組低壓穿越電路保護模式中可以看出：1、風力發電站內的所有風力發電機組并網發電過程中電壓降壓控制在20%的情況下，仍然可以通過發電機組正常并網運行，在625ms不切機進行降壓處理；2、風力發電站內出現線路故障3s后，電壓主控鎖頻恢復到額定電壓的90%恒定值時，風力發電機組不會出現斷網切機現象，目前已經投入到風電生產的發電機組已經對低壓穿越能力進行專業化改造，并且具有大規模的應用。

二、LVRT技術在風力發電低壓穿越中的應用

（一）已建成風電場的改造。

對于已經建成的風電場，如果不具有LVRT能力，必須適應當前的并網規則要求，對風電場進行改造，目前有幾種方案可供選擇：在風電場采用動態無功補償裝置，動態提供風電機組暫態過程所消耗的無功，以恢復機端電壓；安裝可控串補效限制風電場機端輸出電流，提高風電場機端電壓；利用串聯制動電阻在電網故障時提升風電機組端電壓，并吸收過剩有功功率，進而提高風電場LVRT能力；安裝超導儲能裝置，提高風電場機端電壓。

圖1是風電雙饋感應電路系統。

（二）電網側串聯額外的變換器

這種技術通過電網側串聯變換器來提高DFIG機組的LVRT能力。這種電網側串聯變換器能夠對故障電壓進行補償，保證DFIG定子電壓的穩定，相當于一臺動態電壓恢復器。通過調節DFIG定子磁鏈并使之保持穩定，從而減小甚至消除定子電壓突變引起的一系列暫態電磁現象，如電磁轉矩和定、轉子電流，以及有功、無功功率的振蕩。另外，將DFIG未能及時輸出的能量通過直流母線環節輸送到電網，防止直流母線電壓過高。這種結構能實現零電壓穿越，具有優良的LVRT能力，缺點是成本高、控制復雜。

（三）故障期間的控制策略

為了盡可能少地增加成本，許多學者都在尋求不增加硬件控制電路，從改善DFIG控制策略的角度來探索DFIG LVRT的實現方法。傳統的基于定子磁場定向或定子電壓定向的矢量控制方法一般采用PI調節器，實現有功、無功功率獨立調節，具有一定的抗干擾能力。但是當電網電壓出現較大幅度的跌落時，PI調節器容易出現輸出飽和，難以回到有效調節狀態，使電壓下降和恢復之后的一段時間內，DFIG實際上處于非閉環的控狀態。為了克服傳統矢量控制的缺點，國內外學者提出了大量的改進控制策略。例如：基于魯棒控制技術的analysis方法設計控制器；基于靜止無功補償器模式的控制方法；勵磁電壓控制法：針對電網電壓突降時定子磁鏈中的暫態直流和負序分量，通過調節勵磁電壓使之產生出抵消性質的轉子電流空間矢量及相應的漏磁場分量。

三、風力發電機主動式保護設計

在風力發電的研究中，對于故電網障保護的分析是重點研究課題。主動式Crowbar過電保護器是風電電網故障保護中應用較多的保護原理，Crowbar主要采用電阻繞接轉子組旁路變流器來實現電流單向通道的一種保護模式，目前在國內風電機組線路保護中通常采用Crowbar電網保護模式。

主動Crowbar電網保護模式在電路中采用新型強迫換流的電子組元件GTO、IGCT等對任意電流回路進行切斷保護，主動Crowbar電網保護的組成有通用二極管整流橋和旁路電阻共同組成可變值電阻，在風力發電機聯網供電的過程中，可以在斷線不脫網階段啟動保護作業，以此滿足風力發電機組低壓穿越技術的關鍵要求。

圖2為主動Crowbar電網保護模式示意。

在Crowbar的電路設計中，需要對保護電阻取值進行特定功率選取，對電路空間策略進行規定。DFIG在主動Crowbar電網保護線路中的電阻取值受到轉子側變流器最大電力輸出功率的最高電壓安全取值系數的影響，當風力發電機組進行并網發電時，如果發生電力故障，Crowbar會使限值最小的電阻轉子抑制在旁側短路電流，在轉子動力消失時，電流不會對旁側短路轉子造成損壞，變流器定值不會受到影響。Crowbar在電網通過的電阻值過大時，電網中形成直流電阻會加劇變流器的恒定電壓壓力，可能對變流器造成破壞。因此，對于電阻取值需要根據轉子和抑制電流的效果進行綜合決定。

在電網發生故障的過程中，變流器電阻與直流電壓在Crowbar的約束下可以達到UI-max

目前在Crowbar電網電阻控制的主要形式可以分為兩種：其一是當電網中電流不穩，導致電阻值出現增大的情況下，Crowbar會在電路故障區域進行延遲切除；其二是當電網轉子中的額定電流超過電網電阻承受標準的情況下，Crowbar會鎖閉線路，使轉子停止通過旁側變流器，當電網電流恢復到設定電流值下限時，變流器會切除Crowbar的控制端，并且恢復轉子通過。

一般在電網故障的處理中，Crowbar在故障線路中處于激活狀態，雙饋發電機能夠對電能輸出的不可控狀態進行功率限定，對電網中的超額電流部分進行無功率處理，是電網電壓值恢復平均水平，并且能夠有效控制電網電壓額度，對電網進行故障恢復。風力發電機定子和轉子電流都會產生交流感應現象，在電網發生故障的時候，如果通過轉子與旁側電路的隔離進行降阻，需要通過較為復雜的電阻邏輯處理方式，否則可能會對電流感應的過程中造成較為強烈的電磁振動，Crowbar在電路降阻的過程中，會發生升熱現象，因此需要考慮適當的降溫措施，避免線路阻隔出現燒毀。

Crowbar在激活狀態下，如果控制組策略操作不當，DFIG不能有效實現電流感應的穩定效果，電流感應的振蕩可能或導致機械傳感的不穩定，對風電機組內部構件的安全運行造成影響。

四、結語

隨著電力科技的不斷發展，人類對于可再生能源的不斷探索，風力發電技術會不斷取得更高的突破。在風力發電技術的核心方面，低壓穿越始終影響著風電供應的全過程，雙饋式風力發電機的廣泛應用減少了供電網絡故障問題的出現，同時解決了低壓電路保障的問題。由于目前風電電網故障恢復能力還處于研究階段，風電機感應穿越的理論基礎也不夠成熟，因此，在通過對電壓采取降壓處理的方法下，對于低壓穿越的研究是一個新型課題。

[1]洪書娟,陳媛,王瑞鮮.雙饋風力發電系統低電壓穿越的建模與控制[J].變頻器世界,2012(10):51-54.

[2]和立輝,尹忠東.雙饋型風力發電機低電壓穿越的探討[J].科技風,2012(15):10-10.

[3]楊普,孫麗玲,吳娜.雙饋感應風力發電機實現LVRT仿真研究[J].電力科學與工程,2012,28(7):8-14.