风力发电机组低电压穿越技术研究

王位俊

引言：风能是一种洁净的能源，当前风力发电已经成为最具有发现前景的发电形式之一，当前风力发电的形式主要包括永磁同步和双馈发电机，两种发电形式各有优缺点，本文主要分析风力发电机组低电压穿越技术。

当前在国内风力发电机组中出现数起风机大面积脱网事故，严重影响电网的安全运行，为避免大面积脱网带来的安全隐患，要求风力发电机组具有低电压穿越性能维持发电机组的连续运行，本文主要研究风力发现机组低电压穿越技术。

一、低电压穿越性能的必要性和重要性

对风能的利用研究需要建立高效的风机制造技术上，当前风力发电机组的主流机型包括双馈感应发电机组、直驱永磁电动机组等，其中双馈感应发电机组是最常使用的一种。风电并网对电网产生的影响主要包括电压闪变、谐波污染、电压稳定性等方面。风力发电机启动会产生很大的冲击电流，对配电网会存在很大的影响，风力发电机本身所配备的电子装置、切换频率等都会存在很严重的谐波问题。

当前风机单机容量越来越大，受到电网运行特点与风机自身的影响，风机并网中的很多问题凸现出来，如频率的稳定、暂态稳定、无功平衡等，因此风电并网规划逐渐提出了低电压穿越的要求，要求风机能够在电网电压跌落情况下维持电网的运行，在GB/Z19963-2005中提出风电场的继电保护中，需要减少并网点电压跌落时间配合低电压穿越功能。

低电压穿越性能要求需要满足国家电网风电场并网运行准则中的要求，避免暂态电磁冲击对电子设备的危害，在正常运行下，尽量为电网提供有功支持，在电压恢复期间，要求能够快速恢复网点电压。

二、目前国内主力风力发电机组的低电压穿越性能比较

由于風力发电机组的主流机型的不同，低电压穿越性能也存在一定的差异。

2.1双馈风力发现机组的低电压穿越性能

当前双馈风力发现系统一般采用主动式Crowbar保护电路，由电阻、SCR和GTO组成，在发生电网跌落故障时，能够通过Crowber电路的快速启动达到保护电路的目的。单行的主动式转子Crowber电路可以看做串联电阻的绕线式异步电动机，在电压跌落到一定程度时，转子电流与Rcrow的值成反相关，故障过程中的声誉功率能够通过等效转子阻抗消耗掉，进而帮助恢复电网电压。

Crowber电路投切控制系统进行实时的电流检测，在检测到最高值时投入Crowber电路，封锁变流器中的触发信号，若是不封闭触发信号，Crowber电路相当于转子侧和变流器的短路，进而引起电器的损坏。

影响双馈感应发电机组阻值的因素包括直流母线的电压电容和转子侧变换器的电流，在电网电压跌落期间，转子绕组最大电压Urmax=Irmaxrc，式中rc代表Crowber电路电路的组织，为避免直流母线出现过电压，要求Urmax

2.2直驱永磁发电机组的低电压穿越性能

直驱永磁同步风力发电系统中，与双馈性风力发电系统相比，直驱永磁同步风力发电系统有更好的无功控制和低电压运行能力方面的优势，直驱永磁同步风力发电机组是一种法同步发电系统的拓补结构，与电网之间不存在直接耦合。直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越保护策略主要有增加电力电子器件的耐压值、减少风电机组输出功率以及增加保护电路等方式，加电力电子器件的耐压值能够在一定程度上缓冲电压，但是会大幅度的增加系统成本，因此不适合单独采用，增加保护电路能够更加快速的相应故障，使风电系统更快速的投入运行。网测变流器加直流控制方案不适合使用在所有的直驱风电系统中。

发电测板牙器实现发电机转速的控制，永磁同步发电机组电磁转矩方程为Te=3P0isq[（Lq-Ld）isd+Ψf]，式中P0代表发电机极对数。在直驱永磁发电机组中，定子极对数和永磁体磁链均是固定的，Ld=Lq，发电机电磁转矩Te=3P0isqΨf/2。机测变流器采用双闭环控制，正常工作下最大风能给定值确定发电机组有功功率，在故障情况下，发电机组有功功率由电网电压和最大风能确定。网测的脉宽调制能够实现控制单位功率因数，经过电网电压矢量定向，有功功率Pg=ugdigd，无功功率Qg=-ugdigd，这样能够实现解耦控制，功率变化与轴电压存在关系。在稳态情况下，电网仅需要变流器注入有功功率，在暂态情况下，优先输出无功电流。

电网电压发生跌落时，网测变流器为了维持直流电压就会增加输出电流，进而导致有功功率大幅度下降，若是发电机组有功功率不变，会导致直流侧电容的输出功率和输入功率不平衡，进而导致电压的升高，因此需要减少发电机组处理，提高系统的低电压穿越功能。为验证低电压穿越控制策略，仿真电网电压不同深度跌落，在4s时机端出现电压跌落故障，5s后电压回复。

三、风力发电机组低电压穿越性能发展趋势

电压跌落期间，直驱永磁发电机组的低电压穿越性能主要集中在直流电压的上升方面，采取的措施主要是解决多余的能量问题，采取的办法包括变流器的设计、额外能量的消耗等，选择具有更宽耐压和过流值范围的电子器件提高额定电压，这种方法比较适合使用在短时的电压跌落故障中。减小发电功率能偶使用在故障不严重的情况下，可以配合增加器件容量来提高穿越裕度。双馈发电机组的低电压穿越性能实现比较困难，有研究采用定子磁化电流的过程，修正模型动态量，比较常见的控制策略包括定子电压动态补偿、转子crowbar策略、短暂中断策略等。

对于风电机组的低电压穿越技术要求会极大地增加风力发电成本，因此并不能一直严格要求低电压穿越技术特型曲线，针对接入点短路容量大的强系统，并不需要多强的低电压穿越技术能力，因此需要慎重考虑低电压穿越技术要求。

结束语

综上所述，本文主要研究风力发电机组低电压穿越技术。并网型风力发电机组是一个结构庞大的系统，在接入电网后首先需要考虑发电机组对电网运行的影响，通过软硬件的控制方法来提高电机的低电压穿越能力。

参考文献

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（作者单位：中国水利电力物资有限公司）