風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障穿越問題綜述

張艷生

摘要：風(fēng)電在我國(guó)新能源發(fā)電中占有重要地位，對(duì)我國(guó)電力供應(yīng)具有重要意義。但在設(shè)備使用中，由于各種因素的影響，設(shè)備的頻率及電壓不可避免地會(huì)超出正常使用范圍，導(dǎo)致設(shè)備在異常電壓與頻率范圍內(nèi)工作，這就要求風(fēng)機(jī)具有一定抵抗能力，以確保風(fēng)機(jī)的故障穿越能力。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;故障穿越;問題

隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占份額的增加，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的作用及地位也在發(fā)生變化。風(fēng)電與電網(wǎng)的相互影響不容忽視，特別是在電網(wǎng)故障時(shí)，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響更不容忽視。基于此，本文重點(diǎn)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障穿越問題。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī);風(fēng)輪中含葉片、輪轂、加固件等組成;它有葉片受風(fēng)力旋轉(zhuǎn)發(fā)電、發(fā)電機(jī)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。風(fēng)力發(fā)電電源由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、支撐發(fā)電機(jī)組的塔架、蓄電池充電控制器、逆變器、卸荷器、并網(wǎng)控制器、蓄電池組等組成。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電時(shí)，要保證輸出電頻率恒定。這無論對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電還是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電都非常必要。要保證風(fēng)電的頻率恒定，一種方式就是保證發(fā)電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速，即恒速恒頻的運(yùn)行方式，因發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以這種方式無疑要恒定風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方式會(huì)影響到風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率;另一種方式就是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過其它手段保證輸出電能的頻率恒定，即變速恒頻運(yùn)行。

二、風(fēng)電機(jī)組故障穿越概念

世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障排除能力的定義基本相同。其基本內(nèi)容可概括為：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備能保證連續(xù)運(yùn)行而不會(huì)離網(wǎng)，并能順利過渡到正常運(yùn)行。通過對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的研究，發(fā)現(xiàn)缺陷騎行包括低、高壓騎行。當(dāng)前，澳大利亞等國(guó)家/地區(qū)有明確的HVRT標(biāo)準(zhǔn)，但在我國(guó)尚屬空白。目前，所有國(guó)家/地區(qū)都對(duì)LVRT電網(wǎng)連接法規(guī)有明確要求。

三、電網(wǎng)故障對(duì)不同風(fēng)電機(jī)組的影響

目前，市場(chǎng)上的主流風(fēng)電機(jī)組包括直接并網(wǎng)的失速型定速異步風(fēng)電機(jī)組（FSIG）、雙饋異步風(fēng)電機(jī)組（DFIG）、直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組（PMSG）。

1、FSIG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象。FSIG發(fā)電機(jī)直接連接到電網(wǎng)，這種較強(qiáng)的電壓和頻率耦合使電網(wǎng)故障直接反應(yīng)在電機(jī)定子電壓和轉(zhuǎn)速上。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，導(dǎo)致定子磁鏈出現(xiàn)直流成份;當(dāng)不對(duì)稱故障時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量。定子磁鏈的直流分量和不對(duì)稱故障產(chǎn)生的負(fù)序分量將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流。此外，在電網(wǎng)故障過渡過程中，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱等部件產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致部件損壞或機(jī)組壽命縮短。并且電網(wǎng)故障還會(huì)降低定子電壓，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也跟著降低，必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升。轉(zhuǎn)速的上升會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組從系統(tǒng)吸收的無功功率，進(jìn)一步惡化電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓崩潰。

2、DFIG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象。對(duì)DFIG而言，電網(wǎng)電壓的跌落會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)造成機(jī)械沖擊。在電網(wǎng)電壓跌落瞬間，發(fā)電機(jī)定子上的大電流，必然引起轉(zhuǎn)子側(cè)較大的感應(yīng)電流。而在電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間，因DFIG從電網(wǎng)吸收無功功率來恢復(fù)氣隙磁鏈，導(dǎo)致定子側(cè)注入較大的浪涌電流，造成發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)電壓的降低。另外，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)由于采用了小功率變流器并網(wǎng)，變流器過流能力和DC環(huán)節(jié)的過電壓能力都非常有限，需在電壓、電流和有功功率控制之間要很好地匹配，以保證功率器件不被過電壓、過電流損壞并保證直流側(cè)電壓在合理的范圍內(nèi)。可見，雙饋風(fēng)電機(jī)組在故障期間的暫態(tài)行為較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)DFIG風(fēng)機(jī)的故障穿越能力相對(duì)而言較難。

3、PMSG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象。對(duì)PMSG而言，發(fā)電機(jī)經(jīng)AC-DC-AC全功率變流器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機(jī)輸出側(cè)與風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)側(cè)已被“頻率/電壓解耦”，風(fēng)機(jī)的故障穿越能力等并網(wǎng)特性主要跟變流器有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，因電網(wǎng)側(cè)逆變器電流不能突變，注入電網(wǎng)的有功功率迅速減少。為傳送等同的有功功率，逆變器應(yīng)增加輸出電流，但電壓跌落到一定深度時(shí)，因回路電流不可超過逆變器IGBT能承受的最大電流，注入電網(wǎng)的有功功率受到限制。這樣必將導(dǎo)致DC電容輸入功率大于逆變器注入電網(wǎng)的輸出功率，DC電容電壓上升，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致部件損壞或更嚴(yán)重的后果。可見，直流側(cè)過電壓是因DC回路輸入、輸出能量的不平衡引起，釋放這一部分多余的能量是保證直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越能力的根本途徑。

四、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越能力的重要性

1、在電壓控制方面。在風(fēng)力發(fā)電過程中，涉及到多種類型及型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)生穿越性故障時(shí)對(duì)功率、電壓和無功功率的影響存在一定差異。另外，在故障期間，有各種補(bǔ)償相關(guān)設(shè)備進(jìn)行電壓補(bǔ)償，以確保設(shè)備在正常電壓下正常工作。因此，在故障穿越過程中，要確保補(bǔ)償設(shè)備能根據(jù)當(dāng)時(shí)故障環(huán)境，有針對(duì)性地、及時(shí)地、有效地采取措施，確保系統(tǒng)在出現(xiàn)問題時(shí)保障系統(tǒng)潮流分布，由此可見，故障穿越能力在電壓控制中起著重要作用。

2、在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃中。在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模及規(guī)劃時(shí)，必須嚴(yán)格參考故障穿越能力進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電規(guī)模及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)劃，確保風(fēng)電機(jī)組在工作中出現(xiàn)穿越性故障時(shí)，故障能順利穿越，保證機(jī)組正常工作。由此可見，風(fēng)力發(fā)電的故障穿越能力在整個(gè)發(fā)電工程中占有重要地位。

3、對(duì)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組工作中，若無很好的故障穿越能力，一旦發(fā)生故障，多臺(tái)機(jī)組將一并脫網(wǎng)，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力，甚至使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)癱瘓，造成重大后果。此外，當(dāng)無故障穿越能力的機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，由于電壓突然下降，風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)行自我保護(hù)，進(jìn)一步降低整個(gè)工程電壓。由此可見，故障穿越能力對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。

五、提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障穿越能力的措施

隨著風(fēng)力發(fā)電能力的不斷提高，世界上許多國(guó)家/地區(qū)都需風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的除塵能力。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)如何提高風(fēng)電機(jī)組的故障行駛能力進(jìn)行了大量研究。先分析了制動(dòng)電阻對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。在系統(tǒng)故障情況下，分析了與變速雙電源風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站相連的低壓站及雙電源風(fēng)電機(jī)組機(jī)械級(jí)制動(dòng)電阻的影響。無論制動(dòng)電阻接至風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站低壓站還是風(fēng)電場(chǎng)各單元端子，都能提高風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力，有利于風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)制動(dòng)電阻連接到故障發(fā)電機(jī)端時(shí)，將制動(dòng)電阻器連接到風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站的低壓站比改進(jìn)方法更好。

為提高發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力，必須根據(jù)不同風(fēng)電機(jī)組特點(diǎn)，采取相應(yīng)的針對(duì)性措施進(jìn)行適配性改進(jìn)。

為提高定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力，對(duì)一些附加設(shè)備措施及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。通過相關(guān)技術(shù)，使用一套完整的SVG對(duì)電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組進(jìn)行串聯(lián)工作，以防止故障過程中，定子由于故障問題導(dǎo)致電流及電壓的巨大逆轉(zhuǎn)而損壞發(fā)電機(jī)組部件。

為提高雙反饋異步發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力，主要是根據(jù)跌落的電壓差判斷采用哪種設(shè)備進(jìn)行電機(jī)組保護(hù)。對(duì)于電壓差較小的，可通過一定技術(shù)手段控制，無需引入設(shè)備。對(duì)于電壓差較大或適中的，應(yīng)采用技術(shù)與設(shè)備的雙結(jié)合，主要是投入變流器直流側(cè)電路使用，并采取一系列相關(guān)的技術(shù)調(diào)控手段，保證電壓穩(wěn)定，防止因電壓差過大而損壞設(shè)備部件，從而大幅提高發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力

為提高永磁風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力，當(dāng)永磁風(fēng)電機(jī)組發(fā)生穿越故障時(shí)，主要是由于發(fā)電機(jī)組工作中相關(guān)故障原因?qū)е码娋W(wǎng)兩側(cè)能量不平衡，長(zhǎng)期積累導(dǎo)致設(shè)備部件損壞。因此，在處理此類設(shè)備時(shí)，主要是平衡電網(wǎng)兩側(cè)的能量差，在控制過程中，主要通過正負(fù)雙電流內(nèi)環(huán)獨(dú)立控制策略來協(xié)調(diào)電網(wǎng)兩側(cè)，以此提高故障穿越能力。

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