淺析雙饋式風力發電機低電壓穿越技術

朱黎

【摘 要】風力發電是在我國新能源戰略下開發與應用的新型發電模式，成為全球發展速度最快的清潔能源，也促使雙饋式發電機成為應用最廣的，集變速運行與變流器容量小優點為—體的風力發電設備。過去應用的保護設備要求與電網解列，失去電網的支撐作用，容易出現嚴重的連鎖反應，基于此，當電網、電壓跌落時風電場需維持一定時間，確保電網連接不發生解列，這一要求即為低電壓穿越（LvRT）雙饋式分離發電機因結構特征，存在諸多難點，比如，控制策略需滿足不同機組、不同參數適應性，故障期間轉子側沖擊電流與直流母線過電壓均要在可承受范圍內等。本文將對雙饋感應發電機模型進行分析，提出技術應用策略。

【關鍵詞】雙饋感應發電機；風力發電；低電壓穿越技術

風電作為目前最具規模化開發和商業化發展前景的新能源技術，在全球以年增長率超過30%的速度成為發展最快的清潔能源。雙饋式風力發電機則由于具有能夠變速運行、變流器容量小等優點正成為使用最廣泛的變速恒頻風力發電機之一。目前，變速恒頻式風力發電機，尤其是雙饋式風力發電機在應對電網故障能力方面存在較大缺陷。電網發生故障容易導致風力發電機端電壓跌落，造成發電機定子電流增加。由于轉子與定子之間的強耦合，快速增加的定子電流會導致轉子電流急劇上升。另外，由于風力機調節速度較慢，故障前期風力機吸收的風能不會明顯減少，而發電機組由于機端電壓降低.不能正常向電網輸送電能，即有一部分能量無法輸人電網，這些能量由系統內部消化，將導致電容充電、直流電壓快速升高、電機轉子加速、電磁轉矩突變等一系列問題。上述問題容易導致系統元器件的損壞。針對此問題，目前國外許多電網運營商對風電場提出了強制性要求；電網電壓跌落時，風電場須維持一定時間與電網連接而不解列，甚至要求風電場在此過程中能提供無功以支持電網電壓的恢復“1。此要求即為低電壓穿越技術。

一、低電壓穿越技術的應用要求

雙饋風力發電系統需實現以下要求：（1）電網發生故障時，保護電網與電壓、變流器不出現損壞。（2）將故障時機械轉矩躍變對齒輪箱與風機造成的沖擊，進而避免齒輪箱出現機械磨損。（3）需與電網的LVRT標準滿足，隨著我國風力發電產業快速發展，大規模發電項目被提上日程，但是風力發電能源供應不足，對電網穩定性帶來了不利影響。由此，加快LvRT標準制度對風力發電穩定持續運行有重要意義。

二、低電壓穿越技術的應用

2.1傳統控制策略不適合故障過程控制

通過雙饋電機轉子軸的有功與無功解耦控制的控制方法，但是這種方法構造單一，不能獲得更好的穩態響應。此方法不適應故障期間的控制分析：該控制方法將定子磁鏈的暫態過程忽略了，認為定子磁鏈保持恒定.出現故障后電壓解耦控制將不能實現：其次，電機端電壓在出現故障會發生躍變，定子磁鏈測定應用的積分器飽和，從而使磁鏈定向失去準確性，從而使整個故障控制i撤得艱難圓。

2.2增加硬件電路的實現方法

雙饋感應發電機增加電路使系統的LVRT得以實現，這種實現方法最為常見，適合雙饋感應發電機的Crowbar的電路有很多。Crowbar電路選取非常重要，變流器端的電壓需控制好，不能太高也不能太低，不能對電流進行限制。發生短路時可將Crowbar電路接入實現限流。如果電壓跌落持續較長時間，電機會在故障期間提供無功給電網，但是需要注意的是，切換不需要再使用特殊的控制方法，但是會出現嚴重的暫態01。鑒于此過程電機沒有與電網發生解列，電機依然可以生成電磁轉矩，可以將風棚產生的機械轉矩抵消。消除故障后，風力發電機會馬上恢復原有的工作模式，如果不能采取這種模式，電壓恢復暫態容易出現與返回值不匹配的情況，容易使積分出現飽和，產生更加嚴重的暫態響應。由此，為了使切換更加平滑，必須將參考值設置為實際值，這樣才能使整個狀態是緩慢、安全的。

2.3能量儲存系統

電壓出現跌落在故障期間難以對直流電壓控制時，可以應用能量存儲系統（ESS），這一系統的優勢是能夠存儲過剩的能量，且在故障后將這些能量再次輸送到電網中川。這種方法避免了Crowbar運行狀態切換問題，還能避免出現切換失誤造成的暫態，可以持續調控系統，缺點是ESS不臺B控制轉子電流，為了使變流器不因轉子過電流出現損壞，需要使用較大容量側變流器。

2.4定子側的電子開關

為了使系統控制能力得以保證，減少轉矩振蕩情況，可以在定子側與電網間并聯晶閘管作為電子開關，從而分離定子快速與電網。其控制過程為：發生故障時，將定子與電網連接切斷，對轉子側的逆變器進行控制，可以使電機順利去磁，實現雙饋電機與電網的同步，使電機定子成功連接到電網，恢復正常工作狀態。

三、結束語

本文通過研究雙饋感應發電機LvRT條件下的建模、控制實現，以及其對電網的影響，介紹了雙饋式風力發電機LVRT技術的發展現狀，得出了以下幾點結論：

1）由于傳統暫態分析模型忽略了磁飽和、非線性成分、電磁暫態過程等內容，如果使用它們進行LVRT技術的研究可能會對故障嚴重性估計不足，從而影響保護裝置的設計。在故障分析過程中需使用更完整詳細的模型。

2）通過改進控制策略可在很大程度上改善系統的暫態響應。但基于對能量守恒關系的分析，對于很嚴重的電網電壓跌落故障，僅僅改進控制策略很難同時克服系統的過電流和過電壓問題。因此，增加硬件電路是不可避免的。

3）幾種增加硬件電路實現低電壓穿越的方法各有利弊，都存在一些較難克服的問題。研究過程中可考慮幾種方法結合使用，或是改進相應的控制策略。

4）具備LVRT能力的風電場不但不會給電網帶來不利影響，反而相對于傳統電站能夠改善系統的性能，這一特點決定了LVRT研究將是今后風電研究中的一個重點。

中國的LVRT研究今后將主要面臨以下問題：建立適用于中國電網的LVRT技術規范，且能夠針對具體區域電網、具體接入點對標準進行適當修改；建立具備LvRT能力的風力發電機模型，并將該模型集成于現有商業電力系統分析軟件中；形成對LVRT功能、效率、影響的評價方法，并建立相關測試與評估環境。

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