關于直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術的思考

孫嘉

摘 要 隨著風力發電機組裝機容量的不斷提升，各國在電網準則中對風力發電機組的低壓穿越能力提出了更高要求。本文根據以往工作經驗，對直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術的常見類型進行總結，并從電壓跌落、三相對稱跌落中網測變流器分析、直驅型風力發電系統低壓保護、無功支持控制策略四方面，論述了直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術的實現方式。

關鍵詞 永磁風力發電系統；低壓穿越技術；無功支持

前言

人類社會的發展離不開能源支持，隨著工業生產技術的進步，世界各國對能源的需求量正在逐漸增加，導致不可再生能源的消耗速度越來越快。站在可持續發展角度考慮，人們需要對一些清潔能源、可再生能源等進行深入研究，避免能源枯竭，提高地球環境質量。最重要的是，可再生能源能夠實現資源的循環利用，從而實現國家發展潛力的有效提升。

1 直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術的常見類型

1.1 撬棒電路

撬棒技術最早出現在雙饋式風力發電機組之中，主要的作用是對轉子變流器提供保護作用。撬棒電路在一般電路中主要起轉子短路保護作用，該電路可直接接入到轉子的繞組當中，避免電流和電壓出現過高情況。一般來說，電網在發生故障之后，應緊急啟動撬棒電路，此時轉子側等轉換器便會退出運行。當故障完全被消除之后，撬棒電路會被切出，為系統正常運行提供基礎條件。在直驅式風力發電系統中的撬棒電路與機組中的應用方式大致相同。目前，國內外有很多學生對低壓穿越技術進行了研究，其中常用的研究方案包括以下幾種類型：第一，在發電機的定子側增加電阻阻值；第二，在電網側加入保護電路；第三，在母線上接入還能單元；第四，在直流母線上安裝儲能單元。

1.2 發電機定子側增加保護電路

在發電機定子側保護過程中，相關工作人員最先想到的便是將撬棒保護方案加入到定子層的發電機中，形成卸荷電路。一般來說，卸荷電阻可通過功率開關與發電機的定子側相互連接。該電路的工作原理如下：當發電機的功率增加時，其中一部分功率會經過功率開關器輸送到交流器之中，此時將卸載電阻投入其中，可分擔一部分能量，從而保證功率輸出和輸入的平衡。在這種方案應用過程中，可在風速過大和電網電壓跌落后，維持風電系統的正常運行[1]。

1.3 電網側保護電路

電網側的保護電路以交流開關的保護電路為主，該電路的工作原理如下：當電網電壓正常運行中，風力發電機組中絕大多數輸出功率將會到負載上，多余的則會被電網所吸收，當機組輸出功率不足時，負載也會將電網中的一部分力量傳遞給機組。另外，在電網出現故障之后，工作人員可通過交流開關控制實現負載與電網之間的有效連接。此時如果電網是風力發電機組，只需要對負載電壓進行調節即可，整體工作并不會受到電網故障的影響。當電網故障修復之后，可將交流開關進行閉合，此時風力發電系統便會重新被啟動。

1.4 直流側保護電路

經過大量的實驗研究，在直流側添加撬棒電路是最常用也是技術最完善的一種方式。這其中包括卸荷電阻功率器件與直流側相連，這種方式由于連接簡單，所以應用頻率較高。其次是卸荷電阻經降壓電路與直流側相連。當整個系統正常運行時，撬棒電路處于不工作狀態，一旦有電壓跌落等故障出現時，撬棒電路便會被啟動，去消耗電網中的多余能量，直線直流側和電網之間的功率平衡，為母線電壓提供安全與穩定。上述兩種方案均具備較高的可靠性，但也存在很多缺點，如負載容量較大等，需要對散熱工作進行進一步處理。針對上述兩種電路中存在的不足，人們在電路中又加入了一種能量儲存裝置，利用雙流向的電力電子變流器為能量平衡制造條件。假設當電網電壓出現跌落問題時，部分多余的能量將會儲存在各種儲能設備之中；另外，當直流側的電壓供給不充分時，可將儲存中的電量釋放出來，為電網提供有功功率。該方案的優勢較為明顯，可對直流側的電壓穩定提供基礎，不會出現能源的過度浪費。但也存在一部分缺點，那便是設備成本過高，整體結構也變得更為復雜。

2 直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術的實現方式

2.1 電壓跌落

電壓跌落主要指電網電壓在短時間內驟然下降，一般來說，這種情況的持續時間會在0.5到30個周波范圍內。但在實際定義過程中，人們對電壓跌落的定義進行統一。在對電壓跌落進行分析過程中，會將跌落電壓的均方根值與額定電壓的均方根值進行比較，并將它們的比值稱之為跌落幅值，將跌落從發生到結束過程中所經歷的時間稱之為持續時間。在電壓跌落現象發生之后，往往會引發電壓相位的突然改變，這便是人們常說的相位跳變。另外，在電壓跌落過程中，所引發的原因也存在很大區別，主要原因包括以下三部分內容：電網故障所引起的電壓跌落、發電機故障所引起的電壓跌落和電機運轉速度過快所引起的電壓跌落。在電網故障之中，電壓跌落和恢復的時間十分短暫，而在其他電機啟動所引起的電壓跌落之中，其恢復的時間就會較長，通常在幾秒鐘左右。在跌落的起始階段之中，由于整體受到慣性作用，使其產生了電壓源的作用，從而降低了電壓的跌落時速[2]。

2.2 三相對稱跌落中網測變流器分析

在直驅型風力發電系統中，發電機會通過全功率變流器實現與電網的完全隔離，在電網電壓出現跌落問題時，如果采取變流器整合措施，便可以使風力發電機的運行不會受到故障影響，從而實現低壓穿越技術的合理使用。因此，當直驅型風力發電機系統處于三相對稱跌落時，需要對系統網測的變流器進行合理分析，其中運行狀態分析最為關鍵。在變流器使用過程中，變流器的種類有很多，其中常用的有背靠背變流器和轉子層變流器等。對于背靠背變流器而言，直流母線主要作用于變流器和主網測之間的能量緩沖。從理論上來說，如果網側變流器在瞬時電流值上與轉子側的變流器相同，那么通過直流電容器中的電流將會為零，此種情況便不會引起直流電壓出現波動。但在實際風力發電系統運行過程中，網絡變流器具有延遲性，這讓網側變流器中直流電流和其他變流器中的電流很難進行匹配。

2.3 直驅型風力發電系統低壓保護

隨著風力發電系統的不斷完善，以及人們對風力發電要求的不斷提升，風力 發電低壓技術受到了人們的格外關注。結合以往的文獻研究，風力發電機的低壓穿越技術只要包括以下幾種：第一，在直流母線中接入耗能單元，當母線電壓過高時消耗掉多余能量。第二，在母線中設置儲能單元，將母線中的多余能量進行轉移。第三。在網側中并聯一個電力電子輔助變流裝置，在電網出現跌落故障之后，利用該裝置進行能量轉移。在此過程中，基于耗能Crowbar的過電保護方案最為常見。在應用過程中，該保護方案可以通過卸荷電阻實現功率件與直流側的相互連接。由于Crowbar的保護，電網對永磁發電機的影響幾乎可以忽略不計，但在電網恢復過程中，直流母線將會對電壓機側的軸電流產生輕微影響，但對電網整體的影響并不大。除了變流器的安全之外，電壓跌落會消耗一部分能量，此時采用Crowbar保護電路，不僅操作簡單，而且具有較強的可靠性[3]。

2.4 無功支持控制策略

在直驅型永磁風力發電系統低壓穿越技術使用過程中，電網電壓會出現大量的無功需求，與此同時，電網可能還會對風點系統提出像火力發電廠一樣的要求，方便對功率因數進行輸出，并將功率因數控制在一定范圍之內，還能在電網出現故障時向電網提供無功功率，對系統電壓進行合理調節。通過以往研究經驗可知，電網電壓的控制網變流器可實現對無功有有功的各自調節。因此，當電網出現故障之后，可在風險系統結構中的電網側交流器提供靜止無功補償，實現對電網的無功支持?？偟膩碚f，網側變流器無功補償措施有很多，無功電流也會通過PI調節器獲得定值，當參考電流較小時，可利用電壓外環進行調節。

3 結束語

綜上所述，風力資源是清潔的可再生資源，風力發電也是目前新能源技術中最為成熟的項目之一。目前，人們對風電在能源中的調整作用越來越重視，并研究了很多新型技術。低壓穿越技術可根據風能的捕捉特點和風機的運動方式，對相關模型進行建立，為人們對風能利用的進一步研究提供基礎，有利于我國可持續發展戰略的實施。

參考文獻

[1] 左劍，張廷營.直驅永磁同步風機接入對電力系統小信號穩定性的影響分析[J].機電信息，2017，（36）：114-116.

[2] 周小壯，王孝洪，HOANG THI THU GIANG.永磁同步風力發電系統的分數階比例積分控制算法研究[J].電機與控制應用，2017，44（07）：92-97.

[3] 唐東成，張曉亞，任瑾.基于精確線性化的永磁同步風力發電機滑模控制[J].自動化應用，2017，（06）：159-162.