風力發(fā)電低電壓穿越技術綜述

張海峰 河北新天科創(chuàng)新能源技術有限公司

當前風電市場發(fā)展速度非常迅猛，我國風電場的裝機容量逐漸增加，為我國能源問題的解決提供了巨大的助力。在發(fā)達國家，新能源的利用更是占據(jù)了國家電網(wǎng)供電比例的半數(shù)以上。例如丹麥的僅風力發(fā)電一項就占電網(wǎng)供電總量的20%，對于國家電力系統(tǒng)的運行影響巨大。在風電機組并網(wǎng)中，技術問題難非常多。這是由風力發(fā)電的基本原理和性質決定的。其中風力發(fā)電的低壓穿越能力是并網(wǎng)研究的關鍵技術難題之一。通過低壓穿越技術的突破，能夠促進風力發(fā)電在電網(wǎng)中的大規(guī)模應用。

一、低壓穿越技術概述

在電網(wǎng)發(fā)生故障是，會造成風電機組并網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落情況，此時如果繼續(xù)保持并網(wǎng)狀態(tài)，就會對風電機組和電網(wǎng)的恢復造成不良影響。如何解決電壓跌落時的并網(wǎng)問題，輔助電網(wǎng)恢復是風力發(fā)電低壓穿越的主要研究內(nèi)容。風機電機會出現(xiàn)暫態(tài)，通常會表現(xiàn)為過電壓、過電流、風機轉速上升等情況，對風機造成嚴重的損害，甚至會導致風電控制系統(tǒng)和設備的損壞，嚴重風機的安全運行。在風電占據(jù)電網(wǎng)比例較小時，出現(xiàn)低壓跌落可以通過解列完成風機的保護[1]。風電占據(jù)電網(wǎng)比例越大，解列造成的電網(wǎng)影響就越大，大規(guī)模的解列會提高電網(wǎng)恢復難度，甚至造成電網(wǎng)故障家居，產(chǎn)生連鎖反應，使更多并網(wǎng)風機解列，造成電網(wǎng)崩潰。解決風力發(fā)電低壓穿越，使其成為電網(wǎng)故障恢復的助力是風力發(fā)電規(guī)模化使用的技術關隘。

二、定速異步風機與雙饋式風機的暫態(tài)

在定速異步風機中，電網(wǎng)從低壓跌落到恢復正常，短時間的過電流不會造成其鼠籠式轉子燒毀，但是雙饋式風機轉子側存在AC/AD/AC 變化器，低壓跌落造成的過電壓和過電流對電子元件傷害較大，因此，雙饋式風機的低壓穿越技術更為困難。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，定子側直接與電網(wǎng)并聯(lián)的定速異步風機和雙饋式風機會受到嚴重的影響。尤其是不對稱故障會造成電機的電磁轉矩波動，給風機組硬件設備造成不良影響，直接降低風電機組硬件設備的使用壽命。在風力發(fā)電機定子電壓跌落時，風電機組向電網(wǎng)中輸出的功率下降，此時如果風電機組依然進行大量風能的捕獲，就會造成風機槳葉旋轉速度劇增。如果自然風能過大，風電機組轉速抑制將會更加困難[2]。轉速增加會進一步提升電機對電網(wǎng)無功功率的吸收效率，成為電網(wǎng)恢復的障礙，嚴重時可能造成系統(tǒng)崩潰。因此，雙饋式風機低壓穿越技術更難實現(xiàn)。

三、低壓穿越技術的實現(xiàn)

（一）定速異步風機低壓穿越的實現(xiàn)

定速異步風機在電壓跌落期間的低壓穿越難點主要在于電磁轉矩降低造成的轉速提升。由于結構簡單，所以對于這一問題的解決措施也數(shù)量有線。當前最為簡單可靠的解決措施為判斷電網(wǎng)低壓跌落故障后，可以利用定速異步風機的變槳控制來減少轉矩，降低風機對于能量的捕獲，從而降低風機的轉速。但是由于風機槳葉具有巨大的慣性，邊距對其造成的負荷非常大，需要槳葉本身具備良好的性能，能夠支持變槳實現(xiàn)。

定速異步風機變槳應對低壓穿越的缺點在于變槳之后的風機無法支持電網(wǎng)恢復，繼續(xù)維持并網(wǎng)的定速異步風機還會因為電機運轉吸收電網(wǎng)中的無功功率，導致電網(wǎng)的恢復速度下降。所以采用變槳控制還需要降低無功功率吸收的措施[3]。按照最大功率安裝電容組是解決無功功率吸收常用的方法，但是會對系統(tǒng)電壓造成一定的擾動，可能會導致臨近母線出現(xiàn)過電壓，因此部分研究提出安裝靜態(tài)無功補償器，進行無功補償，實現(xiàn)定速異步風機的低壓穿越。

（二）雙饋式風機低壓穿越的實現(xiàn)

雙饋式風機低壓穿越難度最大，電壓跌落不但會對風機電子元件造成損傷，隨之產(chǎn)生的轉速上升也會影響電機的使用壽命。因此在雙饋式風機低壓穿越實現(xiàn)過程中，需要重點解決變流器保護和轉速上升的技術難題。部分研究人員提出在進行雙饋式風機低壓穿越似乎，可以通過對磁化電流的動態(tài)過程分析，形成控制低壓穿越暫態(tài)過電流控制的精確模型，在系統(tǒng)中利用補償器來修正動態(tài)量進行電網(wǎng)的補償。除此之外，還針對電網(wǎng)不對稱故障提出了利用鎖相環(huán)濾除諧波，提高雙饋式風機低壓穿越能力[4]。上述雙饋式風機低壓穿越方案在理論上具有非常夠的可行性，但是在實際應用過程中難度較大，磁化電流動態(tài)分析和控制模型建立難度較高，實施過程精度要求大。由于這些技術難題，雙饋式風機的低壓穿越難度較大，方案可靠性不高，目前仍然處于技術研發(fā)和攻克階段，如何兼顧可靠性與經(jīng)濟性的前提下，完成雙饋式風機低壓穿越是解決風電機組大規(guī)模并網(wǎng)應用的關鍵。

四、結束語

綜上所述，新能源的開發(fā)與利用是未來發(fā)展的主流趨勢，我國在新能源利用上處于先進水平。風力發(fā)電低壓穿越方面，不同的風電機組形式穿越的技術難度不同，定速異步風機結構簡單，低壓穿越實現(xiàn)難度較低。雙饋式風機低壓穿越難度較高，目前低壓穿越方案在理論上具備可靠性，但是實際應用難度較大，需要通過技術突破，實現(xiàn)其低壓穿越。