雙饋風力發電系統低電壓穿越關鍵技術

曹雷年

（中國大唐寧夏分公司新能源事業部，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

近些年來，隨著我國風力發電技術水平的不斷深化，風力發電技術發展成為我國電力行業的主流技術趨勢。在未來相當長的一段時間內，風力發電技術基本上都會占據我國電力行業的主流發展位置。但從實際角度上來看，隨著我國風力發電規模的不斷拓展，風力發電所存在的間歇性及不穩定性的弊端問題越來越明顯，且在上述弊端問題的影響作用下，風力發電容易對電力系統的安全穩定運行造成阻礙[1]。結合國家電網相關數據顯示，當前電網電壓所存在的故障問題中，由短路故障引起的危害最多，尤其是三相短路問題。嚴重時可能會對回輸電線路構成安全威脅。同時，短路期間并網端的電壓會產生不同程度的跌落現象，引發低電壓故障問題而導致電磁功率無法發送出去，繼而引發嚴重的低電壓穿越問題。為及時解決這一問題，有必要研究分析風力發電系統低電壓穿越問題，并結合相關技術手段規避風險隱患問題。

1 雙饋風力發電系統低電壓穿越問題研究與分析現狀

低電壓穿越問題主要是指風機并網點的電壓處于跌落狀態時，風力機仍然可以保持并網運行狀態，甚至可以向電網提供無用功，確保電網可以在一定時間內恢復最初的運行狀態，直到電網完全恢復正常運行狀態為止。在這一過程中，低電壓時間及區域可以實現穿越狀態。一般來說，電網出現明顯故障問題時會直接出現風力發電機組脫網運行問題。究其原因，主要是因為大多數風力發電機組不具備故障穿越能力。結合近些年電力事故情況來看，部分故障問題雖然是由于風力發電機組缺乏故障穿越能力所導致的，但是這并不意味著所有故障問題均是由風電機組缺乏故障穿越能力所導致的，如風電事故是由于電纜頭絕緣故障及其他故障問題所引起的。

發生低壓故障的主要原因在于風電機組單元缺乏硬件支持，導致系統在運行過程中無功負荷問題表現過大，促使母線中端電壓逐漸升高。結合以往的運行管理經驗來看，大量風電機組脫離電網時，系統所涉及的無功負荷均表現過大，正常運行情況下會導致風電發電機離網運行。而此時低壓無功補償裝置在低電壓故障問題結束之后，并未發揮好自身的自動切換功能，導致無功率積累過大，進而引發故障問題。為及時解決這一故障問題，行業內部人員主張針對風電并網低電壓穿越運行技術問題進行研究與分析。根據分析反饋結果，對風電并網低電壓穿越運行技術的關鍵要點問題進行動態掌握，確保可以為風力發電系統的安全運行提供良好保障[2]。

2 雙饋式風力發電系統穿越關鍵技術分析

2.1 雙饋式風力發電系統運行原理

當發電機轉速明顯低于同步轉速時，轉子會從電網吸收大量無功作為勵磁磁場的主要能源形式，確保定子繞組可以定向輸出電能。當發電機轉速明顯升高，且明顯高于同步轉速及轉差轉速時，定子繞組所形成的感應磁場會反作用到轉子繞組中。其中，一部分能量作為勵磁磁場的能源表現形式，而另一部分的能量則促使轉子繞組感應電能，并形成與相位相反的關系，此時轉子也會定向輸出電能。也就是說，對于雙饋式風力發電系統而言，在運行過程中基本上可以理解為定子繞組與轉子繞組同時向電網饋電的一種運行模式。在這樣運行原理的支撐作用下，雙饋式風力發電系統基本上可以發揮預期的功能優勢，實現低電壓穿越過程，減少系統運行隱患問題出現[3]。

2.2 雙饋式風力發電系統穿越關鍵技術

2.2.1 轉子保護技術

轉子保護技術基本上可以視為風電系統常用的一種技術方法。在正式應用轉子保護技術的過程中，操作人員需要借助硬件電路進行實現。主要將轉子的保護電路裝置放置在發電機轉子的一側，并定向對轉子的這一側電路提供旁道。如果操作人員發現電網系統存在明顯故障問題，甚至出現電壓跌落現象，此時雙饋感應發電機中的勵磁變流器會出現閉鎖反應，以便可以對整體電力裝置起到良好的保護作用。此外，勵磁變流器中通過的電流與轉子在繞組功能的影響作用下可以達到良好的過電壓保護效果，確保發電機可以不脫網正常運行。在運行過程中，雙饋感應發電機主要結合感應發電機的運轉模式及作用原理，實現安全運行過程。結合當前運行情況來看，對于這種運行方式的雙饋式風電發力系統，在電路設計方面可以細化分為結構如圖1所示的基于混合橋型的Crowbar電路和如圖2所示的基于IGBT型的Crowbar電路。

對于第一種電路運行方式而言，各個橋臂都是通過控制器件及二極管進行串聯以實現安全操作過程，而對于第二種電路運行方式而言，各個橋臂利用兩個二極管實現串聯過程。其中，直流的一側串聯與IGBT器件相連接。當電網發生故障問題時，利用這種連接方式，可以促使電網與轉子間的繞組始終保持安全連接狀態[4]。當Crowbar進入到正常工作狀態時，雙饋電動機可以轉變成為感應電動機實現安全運行過程，此時雙饋發電機與電網可以保持良好的同步運行狀態。消除電網故障問題之后，現場操作人員可以將功率開關關掉，并結合電力系統運行情況適當切除Crowbar，確保雙饋感應發電機可以恢復到良好的運行狀態。

當發電機機組在進入并網運行狀態時，地電壓檢測系統會根據所接入電網的運行需求對電壓限值進行合理調整與優化。通過額定電壓百分比可實現對電壓等級的定義處理，同時也可以對低壓持續時間進行良好設定。需要注意的是，如果電網之中的電壓比與設定數值偏離過大，那么系統會自動將這類情況判定為低壓事件，并利用系統自動化檢測功能對電力系統可能會受到的低壓影響進行等級判斷，將其他器件的電源切換成備用電源，避免風電機組出現脫網運行情況[5]。此外，系統內部的控制系統也可以實現對發電機轉子端的電流監測分析，如果電網出現明顯的低電壓運行情況，且持續時間超過了預期的波動范圍，那么交流器中的控制器會自動啟動轉子短路保護功能，加強對系統運行的安全管理。

2.2.2 基于改進優化方式的控制策略

為確保風電機組在成本控制范圍內可以實現低壓穿越，多數專家學者主張利用不增加硬件的電路方式實現改良優化過程。結合當前應用研究情況來看，部分專家學者通過不斷研究與探索，總結出以下幾種控制策略。

一是發生故障問題時，電網無法對能量進行有效吸收或者供給，此時操作人員可以將風電機的參考功率設置為零，減少風險隱患問題出現。

二是故障問題發生過程中，操作人員需要集中控制轉子的一側。這樣做的主要目的在于通過集中加強控制，確保系統低電壓穿越能力得以全方位提升[6]。

三是利用控制器安全檢測直流電壓故障及定子電壓故障，根據檢測反饋結果，明確掌握電流信號的產生問題，以確保故障量可以得到有效補償。與此同時，位于轉子另一側的控制器可以用于檢測有功異常及無功異常問題，同時觀測是否產生轉子電流，實現對信號的有效補償。

四是操作人員可以利用雙饋感應發電機低電壓穿越原理，借助限制反電動勢方法實現對短路過程過電流問題的嚴加控制。在具體操作過程中，操作人員可利用轉子電壓實現對定子磁鏈直流分量及負序分量作用的減弱化處理。與此同時，運用定向轉子電流抵消轉子磁鏈中存在的直流分量及負序分量問題。此外，在可能的條件下，操作人員可以適量增加雙饋感應發電機中的定子及轉子漏感，目的在于抵消轉子電流問題，如此一來，機組低電壓穿越能力將會大幅度提升[7]。

結合當前應用操作情況來看，在不進行電路加設的情況下，利用控制策略基本上可以實現雙饋風力發電系統低電壓穿越過程。并利用能量守恒原理對其作用過程進行研究與分析，確保電網所輸送的電能始終維持正常運行狀態。與此同時，操作人員可利用雙饋風電系統的饋性特征，實現對風能問題的調節處理。但需要注意的是，僅利用控制策略實現調節過程是遠遠不夠的，主要是因為這種控制方法僅在電壓跌落且不是很嚴重的情況下才可以適用，想要全面實現低電壓穿越過程還存在較大難度，因此建議操作人員應該加設硬件實現對電路的輔助處理。除此之外，操作人員還可以適當加強對雙饋風力發電系統的日常維護管理水平，減少低電壓問題出現。

3 雙饋式風力發電系統低壓穿越技術的應用措施及發展趨勢分析

根據研究與分析不難看出，我國雙饋式風力發電系統低壓穿越技術在實現方面還存在一定難度。為確保在未來的發展過程中，雙饋式風力發電系統低壓穿越技術得以全面實現，建議相關操作人員可以從以下幾個方面進行統籌推進與合理部署。

3.1 立足于電網運行實際情況，健全優化低壓穿越技術標準及規范

電力行業內部應該結合電網實際運行情況，構建與我國電網運行情況相匹配的低壓穿越技術標準及相關規范。這樣的目的在于讓風電設備的生產商及風電場的開發商都可以參與到相關設備的生產制造以及應用等關鍵環節當中，并主動結合低壓穿越技術標準及相關規范，對當前生產制造期間存在的不足問題進行及時解決[8]。

需要注意的是，如果某一地區網運行能力過強，那么該地政府部門可以適當放寬低電壓穿越技術要求，保障工程建設成本效益得以全面提升。但是對于存在弱電網的運行區域，當地政府部門應該加強對地電壓穿越技術標準的嚴格執行力度，以確保電網及相關機組設備得以安全運行。

3.2 利用先進的原理內容，提高低電壓穿越技術的應用能力

從客觀角度來看，雙饋式風電系統在運行控制方面主要以勵磁變頻器的應用原理控制為主。因此，面對各類電網故障問題，操作人員可結合勵磁變頻器的應用原理及控制方式，實現對低電壓穿越技術的綜合性處理。對于電網故障并不是很嚴重的地區，在處理過程中，操作人員可利用不增加硬件設備的方式實現對控制方法的優化與改進[9]。

結合當前雙饋式風電系統與勵磁變頻器的運行情況來看，瞬態數字模型在精度控制方面還是存在較大不足，無法有效反映出風電系統各類電壓故障的表現問題及控制要點。對此建議行業內部人員可優先利用含有保護裝置的雙饋式風電系統，實現對瞬態數字模型的構建與分析，提高系統低電壓穿越能力。

3.3 高度重視低電壓穿越問題，加強日常維護管理水平

為確保低電壓隱患問題得以全面消除，建議電力行業相關工作人員應該按照綜合治理標準進行統籌規劃與合理部署。結合當前電力系統建設情況來看，由于我國部分電網建設工作缺乏前瞻性與規劃性，導致電力系統在運行過程中容易受到多方面因素的干擾影響而出現低電壓問題。為防止這一問題反復出現，一方面建議電力行業內部管理人員應該按照超前規劃與建設標準，對內部管理機制進行適當健全與完善處理，并在此基礎上，利用科學合理的方法手段開展配網建設工作[10]。另一方面各大電力企業方面應該加強對相關技術人員的資質培訓力度，通過不斷提高技術人員的資質能力，確保人工核查及相關設計工作內容得以準確貫徹與落實。工作人員應該根據以往存在的低電壓現象及具體成因，擬定科學合理的綜合治理方案，如可以將變壓器放置在靠近負荷中心的位置，便于負荷點向周圍擴散。通過減少供電輻射半徑可減少電壓降過大問題，此外行業內部工作人員也可以利用智能化技術等手段，實時監督與管理電力系統的運行過程，以減少低電壓問題的出現。

4 結 論

隨著我國風力發電及風電并網技術的推廣與應用，我國風電電網規模將會進一步擴大化發展。對于風電并網運行工作而言，為確保其運行安全性，電力行業內部將會對其運行工作實行更嚴格的要求。在具體運行管理過程中，電網故障從發生到消除的時間范圍內，相關工作人員應該對電網穩定運行的維修工作予以高度重視，最好可以按照安全管理和隱患治理的原則要求規避風險隱患問題。對于雙饋式風電系統而言，當電網發生明顯故障問題時，雙饋式風電系統可利用適當的控制策略實現對電網的無功補償，進而實現低壓穿越過程。根據現場反饋情況來看，通過利用這種操作方式，不僅可以確保風電系統在電網故障期間仍然可以保持安全運行狀態，同時還可以滿足居民用電需求。鑒于雙饋風力發電系統低電壓穿越技術的重要性，建議行業內部人員應該加強對該項技術的研究力度，以確保可以從根本上促進風電企業的可持續發展。