簡述風力發電低電壓穿越技術

宋振宇 張鎮浩

摘 要：近幾年，風力發電的比例在總供電量中已經占很大部分，加之風力穿透率的增加，風力發電很大程度影響了區域性電網的穩定。當電網出現問題引起電壓跌落時，為了解決這個問題解列風力機組將導致系統的不穩定甚至整個系統的崩潰。所以在這個背景前提下，低電壓穿越技術受到廣泛的關注。本文首先描述了目前我國對風力發電低電壓技術的有關規定，然后分析了不同類型的風力渦輪機在電網電壓下降時的特性，最后對不同機型的差異進行了詳細分析。

關鍵詞：風力發電;低電壓;穿越技術

當今世界風力發電廠高速發展，在一些發達國家中，風力發電在國家電網中的供電份額非常高，在某些國家和地區，雖然風力所占的比例較大，但也有相應的一些弊端出現。就是通過風力進行發電的故障產生率也相對較高。所以，在風力發電的過程中，必須考慮風機的工作情況以及對電網產生的影響。基于此，很多國家也都對風力發電提出了更加嚴格的要求，而風力發電低電壓穿越技術對于此問題來說是一項有效的解決方法，同時也是風電機的設計中最為困難與復雜的難點。低壓穿越技術是指在風機接頭出現電壓降現象時，風機仍然可以保持與電網的連接，甚至可以向電網提供一定量的電力來支持電網的復原，也可以直接堅持到電網恢復正常。 電壓驟降不可避免地會給電動機帶來相應的暫態過程，如過電壓、過電流或速度上升等情況，嚴重的情況也會影響風機和風機控制系統的平穩運作。 大多數情況下，如果是電網故障，風機將實施被動自保護方案，即立即解列，從而保證風力發電機的正常運轉，因為電網的穿透概率比較低，但風的占比如果在整個電網中占據大部分，整個風力發電的系統將出現嚴重的故障，并且難以修復，更有甚者，會導致整個風力發電系統的癱瘓。低電壓穿越技術在風力發電的過程中，可以起到使風場中的電網高效穩定運轉的作用，所以低電壓穿越技術受到大力的推廣。目前，在市場中，比較常見且普遍的風力發電機有三種，一是直接并網定速異步風力發電機二是同步直驅風力發電機;三是雙饋異步風力發電機。

一、低電壓穿越技術功能介紹

低電壓穿越技術在電網電壓下降時要求并網風機仍能保持運行，根據對穿越技術需求的不同，不同國家和地區有不同的要求，例如歐洲的德國、各地區風機機密度相對較高，因此對該地區的低電壓穿越技術風力機組的要求很高。

二、定速異步機穿越技術

（一）定速異步機跌落暫態現象

首先，定速異步機定子直接與電網相連，如果電壓下降，風力發電機的定子電壓也會下降，這種不對稱會導致負序的分量變化，轉子的轉差會大，電勢會依據轉子轉差大小發生變化，轉差大轉子電勢相應變大，最終形成更大的轉子電流。

（二）定速異步機穿越技術實現

在電壓降的過程中，發電機主要是由于電磁轉矩變小而導引起轉速的提高，因風力機的整體結構比較簡單，所以采用變槳控制技術是最直接的方法，是在檢測到電網故障后快速變槳使輸入的機械轉矩變小，從而使轉速平穩。由于風機槳葉的大慣性，變槳控制對風機變槳性能有很高的要求。因此，應首先安裝靜態無功率補償器，始終為各種功率水平提供無功補償。其次，采用靜止同步補償器對電網電壓進行調整，有效地改善了恒速異步風機穿越技術。

三、同步直驅式風力發電機

（一）同步直驅式風力發電機暫態現狀介紹

與定速異步風力發電機不同，同步直驅式發電機和電網不是直接相連的，而是通過背靠背式的雙PWM變流器間接鏈接電網，電網的輸出功率會變低在電網電壓迅速降落時，發電機的輸出功率會短暫的維持穩定，所以此刻輸出、輸入功率不同，這個過程中，直流母線電壓會迅速增加，它的上身會使PWM變流器不能正常運行。如果為了維持電壓的穩定去采取某些措施，就很可能增加電網輸出的電流，從而導致變流器不能平穩運作。

（二）同步直驅式風力發電機穿越技術實現

通過同步直驅風機暫態現象的分析可以明顯的看出電網電壓跌 落的主要原因是風力發電機輸入功率和輸出到電網的功率不一致，進而導致電網側的 AC/DC、DC/AC 變流器出現過電流或者是直流側的母線過電壓現象，總的來說是同步直驅式風機穿越技術實現的關鍵點就 是保證電網電壓跌落時輸出輸入功率一直，比較普遍的解決辦法有兩 種：一種是通過較小風力發電機的輸入功率來實現，當電壓跌落時， 控制風機變槳來降低風能吸收能力，發電機定子輸出功率，讓系統功 率得到平衡，上面也提到這種方法的操作難度比較高，同時相應較慢; 另一種是在直流側增加 crowbar 來保護電路安全，電網電壓跌落會吸 收多余的能量，同時通過和變流器的結合保持直流電壓的穩定，這樣 風力發電機就能夠安全的運行。

四、雙饋異步式風力發電機

（一）雙饋異步式風力發電機暫態現象介紹

雙饋異步發電機就目前來說，是常見并且應用最普遍的發電機，雙饋的含義是由兩個機件同時發出電能。這兩個機件分別是發電機中的定子和轉子。這兩個機件都與電網相連，并且與電網存在相應的電能交換。

雙饋異步發電機在發電過程中通過能量的轉化進行能源的產生，由其中的葉輪轉動，將風能轉化為機械能，通過齒輪箱進行加速，把產生出的定子和電能量傳輸到電網中。如果電網存在故障，如變流器的功率不一樣，或者電網不相對稱的時候，電機也會產生相應的故障，進而導致風力發電機齒輪箱等其余部件的安全平穩運行，風力發電機的使用質量也會受到相應損害。

（二）雙饋異步式風力發電機低電壓穿越技術實現

實現雙饋風力發電的目標必須具備以下幾點要求，第一，在電網出現一系列問題時，保護電網和電壓不能出現故障問題。第二，齒輪箱作為重要的零件機組，在電網故障時避免對齒輪箱進行損壞。第三，隨著我國科技的不斷進步，發電的范圍也不斷擴大，但是，風力發電的電能供應缺失以及電能源的分布不均衡，導致電網的不穩定，容易產生故障。因此，應加速LVRT的標準。以上就是實現雙饋風力發電的必備要求。

通過雙饋電機進行風力發電控制，這種技術形態相對單一，不能獲得有效的故障控制，使電壓解耦不能實現平穩運行;其次，雙饋異步發電機在出現故障后悔發生改變，使其中的機件組織準確性缺失，難以進行故障的維修。所以為了使系統的控制能力得以提升，減少相對的震蕩狀況，在發生故障時，應該將其中的定子和電網的連接進行分割，實現雙饋異步發電機和電網的穩定運行連接，修復故障，達到正常的工作狀態。

五、結論

近幾年，風力發電的比例在總供電量中已經占很大部分，加之風力穿透率的增加，風力發電很大程度影響了區域性電網的穩定。當電網出現問題引起電壓跌落時，為了解決這個問題解列風力機組將導致系統的不穩定甚至整個系統的崩潰。所以在這個背景前提下，低電壓穿越技術受到廣泛的關注。本文也對風力發電技術等進行了一些列的分析，旨在為我國風力發電技術提供一些新的思路與建議。

參考文獻：

[1] 李強.有關風力發電低電壓穿越技術的分析[J].城市建設理論研究（電子版），2014，（8）.

[2] 張興，張龍云，楊淑英等.風力發電低電壓穿越技術綜述[J].電力系統及其自動化學報，2008，20（2）：1-8

[3] 王勝楠.基于轉子變流器控制的雙饋風力發電低電壓穿越技術[D].北京交通大學，2014.

[4]劉頡，易靈芝，劉智磊，朱廣輝，羅百敏，周哲.理想電網條件下雙饋風力發電系統低電壓穿越技術的控制策略研究[J].計算技術與自動化，2014，33（02）：19-22.

[5]李琮，劉春明，張愛蘭，李曉磊，孫巖.風力發電系統低電壓穿越技術研究[J].通信電源技術，2016，33（04）：30-32.