对风力发电机组低电压穿越技术的探析

湖南省株洲市电力机车研究所 王 跻 罗 成 邬冬临

随着全球能源结构的调整，世界各国对于新能源的开发和利用正不断进行。在目前，新能源的主要研究方向在于对可再生资源的利用进行充分研究，这一类清洁能源具有分布广泛，高效高能，零排放的特点，尤其像风能资源在我国可再生能源的研究领域具有非常广泛的应用空间。风力发电机组穿越功率随着科技的进步而不断扩大，目前我国风力发电产业已经确定了基本的功率穿越能力的标准范围，双馈式风力感应发电机组的应用，以高效的功率穿越能力和较小的变流器容量，在当前我国风力发电建设中是一项新的技术性突破。由于变流器在恒定发电容量中具有调节控制的特点，因而以此为技术的新型双馈风力发电机成为主流的风力发电机。双馈风力大电机组具有电网波动的抗敏性，这个特点使其在低压功率穿越实验中成为重要课题。

一、风力发电机组低电压穿越概念

当今风力发电在电力能源生产的比例中不断扩大，风电能源已经成为一种发展成熟的新型环保动力能源。近年来，国家对于风电建设的投入不断加大，风电装机容量不断增加，在以常规能源发电为基础，风力发电为补充的电能作用互补中，风力发电能够对电力供应故障做到有效的补充，但风力发电机组在电网发生故障时，向电网输出的电压频率会对电网系统造成一部分影响。因此在风力发电的过程中，需要注意对低压穿越技术进行规范性研究，对电网功率作用、电网供电频率控制输出、低压电网穿越技术进行进一步探讨，尤其是在LVRT方面进行深刻研究。

在目前各国风力发电机组的运行要求中，对低压穿越的条件要求都有自成体系的规定。如美国风力发电技术中对由于电压增值导致的电网故障必须将影响深度降至15%的规范电压恒定区间内，如果在风力发电机并网发电运行过程中，以625ms不切机低压电网穿越，对电网故障可以做到无间断恢复。国内风力发电低压穿越技术的保障恒定值控制在电压增值3S区间段内，当电压额定值域达到90%的电压区间时，风力发电机组能够在并网不断线的基础上持续运行。

德国风力发电低压穿越标准是在电压出现增值故障时，风力发电机组必须对电压具有恒定控制力，在电压收缩区间降低到一定标准后，电网停止对电压进行调节，对风力发电机端电压的降低控制幅度在额定电压平均值的10%左右，发电机组也能够稳定运行，并且对电压进行有效控制。一般电压端主控是采用电压调节器对发生故障20S范围内进行单项短路支撑，并且通过功率转换对电压进行补偿，使无功率电压进行实效运行，电压补偿是采用双倍过量补偿。

从各国风力发电机组低压穿越电路保护模式中可以看出：1、风力发电站内的所有风力发电机组并网发电过程中电压降压控制在20%的情况下，仍然可以通过发电机组正常并网运行，在625ms不切机进行降压处理；2、风力发电站内出现线路故障3s后，电压主控锁频恢复到额定电压的90%恒定值时，风力发电机组不会出现断网切机现象，目前已经投入到风电生产的发电机组已经对低压穿越能力进行专业化改造，并且具有大规模的应用。

二、LVRT技术在风力发电低压穿越中的应用

（一）已建成风电场的改造。

对于已经建成的风电场，如果不具有LVRT能力，必须适应当前的并网规则要求，对风电场进行改造，目前有几种方案可供选择：在风电场采用动态无功补偿装置，动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压；安装可控串补效限制风电场机端输出电流，提高风电场机端电压；利用串联制动电阻在电网故障时提升风电机组端电压，并吸收过剩有功功率，进而提高风电场LVRT能力；安装超导储能装置，提高风电场机端电压。

图1是风电双馈感应电路系统。

（二）电网侧串联额外的变换器

这种技术通过电网侧串联变换器来提高DFIG机组的LVRT能力。这种电网侧串联变换器能够对故障电压进行补偿，保证DFIG定子电压的稳定，相当于一台动态电压恢复器。通过调节DFIG定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、转子电流，以及有功、无功功率的振荡。另外，将DFIG未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压过高。这种结构能实现零电压穿越，具有优良的LVRT能力，缺点是成本高、控制复杂。

（三）故障期间的控制策略

为了尽可能少地增加成本，许多学者都在寻求不增加硬件控制电路，从改善DFIG控制策略的角度来探索DFIG LVRT的实现方法。传统的基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法一般采用PI调节器，实现有功、无功功率独立调节，具有一定的抗干扰能力。但是当电网电压出现较大幅度的跌落时，PI调节器容易出现输出饱和，难以回到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间内，DFIG实际上处于非闭环的控状态。为了克服传统矢量控制的缺点，国内外学者提出了大量的改进控制策略。例如：基于鲁棒控制技术的analysis方法设计控制器；基于静止无功补偿器模式的控制方法；励磁电压控制法：针对电网电压突降时定子磁链中的暂态直流和负序分量，通过调节励磁电压使之产生出抵消性质的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量。

三、风力发电机主动式保护设计

在风力发电的研究中，对于故电网障保护的分析是重点研究课题。主动式Crowbar过电保护器是风电电网故障保护中应用较多的保护原理，Crowbar主要采用电阻绕接转子组旁路变流器来实现电流单向通道的一种保护模式，目前在国内风电机组线路保护中通常采用Crowbar电网保护模式。

主动Crowbar电网保护模式在电路中采用新型强迫换流的电子组元件GTO、IGCT等对任意电流回路进行切断保护，主动Crowbar电网保护的组成有通用二极管整流桥和旁路电阻共同组成可变值电阻，在风力发电机联网供电的过程中，可以在断线不脱网阶段启动保护作业，以此满足风力发电机组低压穿越技术的关键要求。

图2为主动Crowbar电网保护模式示意。

在Crowbar的电路设计中，需要对保护电阻取值进行特定功率选取，对电路空间策略进行规定。DFIG在主动Crowbar电网保护线路中的电阻取值受到转子侧变流器最大电力输出功率的最高电压安全取值系数的影响，当风力发电机组进行并网发电时，如果发生电力故障，Crowbar会使限值最小的电阻转子抑制在旁侧短路电流，在转子动力消失时，电流不会对旁侧短路转子造成损坏，变流器定值不会受到影响。Crowbar在电网通过的电阻值过大时，电网中形成直流电阻会加剧变流器的恒定电压压力，可能对变流器造成破坏。因此，对于电阻取值需要根据转子和抑制电流的效果进行综合决定。

在电网发生故障的过程中，变流器电阻与直流电压在Crowbar的约束下可以达到UI-max

目前在Crowbar电网电阻控制的主要形式可以分为两种：其一是当电网中电流不稳，导致电阻值出现增大的情况下，Crowbar会在电路故障区域进行延迟切除；其二是当电网转子中的额定电流超过电网电阻承受标准的情况下，Crowbar会锁闭线路，使转子停止通过旁侧变流器，当电网电流恢复到设定电流值下限时，变流器会切除Crowbar的控制端，并且恢复转子通过。

一般在电网故障的处理中，Crowbar在故障线路中处于激活状态，双馈发电机能够对电能输出的不可控状态进行功率限定，对电网中的超额电流部分进行无功率处理，是电网电压值恢复平均水平，并且能够有效控制电网电压额度，对电网进行故障恢复。风力发电机定子和转子电流都会产生交流感应现象，在电网发生故障的时候，如果通过转子与旁侧电路的隔离进行降阻，需要通过较为复杂的电阻逻辑处理方式，否则可能会对电流感应的过程中造成较为强烈的电磁振动，Crowbar在电路降阻的过程中，会发生升热现象，因此需要考虑适当的降温措施，避免线路阻隔出现烧毁。

Crowbar在激活状态下，如果控制组策略操作不当，DFIG不能有效实现电流感应的稳定效果，电流感应的振荡可能或导致机械传感的不稳定，对风电机组内部构件的安全运行造成影响。

四、结语

随着电力科技的不断发展，人类对于可再生能源的不断探索，风力发电技术会不断取得更高的突破。在风力发电技术的核心方面，低压穿越始终影响着风电供应的全过程，双馈式风力发电机的广泛应用减少了供电网络故障问题的出现，同时解决了低压电路保障的问题。由于目前风电电网故障恢复能力还处于研究阶段，风电机感应穿越的理论基础也不够成熟，因此，在通过对电压采取降压处理的方法下，对于低压穿越的研究是一个新型课题。

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