风力发电机组的低压穿越能力探讨

陈少阳

摘 要：随着风力发电在电网中所占比例的迅速增加，如何满足电力系统的稳定性成为一个日益突出的问题。低电压穿越技术是一个代表性的强制性并网要求，特别是在一些欧洲风力发电大国和美国也是如此。在该文中，分析和比较低电压穿越不同国家的要求，主要的竞争对手。在此基础上，对风力发电机组的低压穿越能力探讨。

关键词：低电压穿越 变流器 DFIG 直驱 短路器 电网接入技术 能力探讨

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0108-02

在风力发电发展的初级阶段，电网中的风电功率很小，因此不需要参与电力系统的控制系统。当电网侧发生故障时，由于风电场本身的暂态电压稳定性无法保证，通常采用风力发电机，以保证风电场和电网的安全。

在风力发电的发展中，风力发电在电网中的比例迅速增加。因此，满足电网稳定要求的同时，避免供电中断已成为风电行业面临的主要问题。2003，德国电力工业巨头E.ON Netz公司发布了一个强制性的风电并网的要求。一旦电网需要一个故障，风电场必须保持在电网运行中的电网电压恢复。在同一时间，风力发电机组能够支持电网电压。

1 关于低电压穿越的现有标准情况

风力发电机组必须符合一定的标准，以连接到电网。这些标准通常是由电力系统运营商制定的。更重要的标准之一是低电压穿越。

低电压穿越是电力传输系统故障时的情况，而不是变电站的情况。不同国家的低电压穿越能力不同。此外，故障清除时间的要求是不一样的。

1.1 2003版网络公司E.ON标准

2003年初，德国utility & transmission operator-E.ON发布的一个风力发电机的要求是连接110kV甚至更高电压等级。该标准规定，由于三相短路和电网电压的150ms网络的电压降不能恢复到80%的额定电压。排除故障后，必须立即输出有功功率，至少20%的额定功率。除了上面提到的要求功率的增长率，20 ms内发电机必须被发送到支持电网故障后确认（电网电压下降1%，2%的无功功率）。这一要求是没有充分发展的，它被假定的故障的交叉是最严重的情况，从电网稳定的角度来看，是相对称故障。

1.2 2006版E.ON Netz GmbH标准

在2005年德国电力系统运营商，研究风力发电机组制造商和德国风电系统的稳定性，操作和电网扩展的进一步发展的几个研究机构进行了更详细的研究。这项研究的结果是发布的新版并網标准。

该公司新标准建立了风电场不能满足电网连接的风电场的标准。标准的目的是让风扇能够抵抗电压降，避免电网故障。干扰电压和干扰中，典型的固定的速度感应发电机在任何瞬时无功率损耗必须完成在400ms，可以按照上面提到的电压支持。

另E.ON公司颁布了两低电压穿越标准根据不同的发电站。一种是传统火电站，另一种是非常规电站，其中包括风电机组。

对于一个清除时间为150 ms、3相短路的故障在发电站整个工作范围内不应当引起电网不稳定也不能脱网。

当上面提到的同步发电机组直接连接到电网的情况下，它是另一种电站（包括风轮机）。当电网故障位于电站外的故障时，不能取下网络。

1.3 低电压穿越要求的比较分析

低电压穿越风电机组的标准要求，不仅不能在这样的暂态故障状态下进行电网的供电。有的标准在风电场中提供无功功率，而其他标准只需要在暂态过程中不消耗功率不。有一些标准，确定这些要求适用于3个相对对称的电压或非对称电压（因为有可能是一个单一的相对传输线故障），和其他标准是没有这样的问题的一个明确的解释。

现有的低电压穿越标准的通用电气风能。每一个标志线代表我们研究国家电网最严格的标准要求。有一些线段是限位的情况下，在正常情况下是那些传统发电机组不能满足。

NGC（国家电网公司-英格兰和威尔士的电力系统运营商）标准和公司标准的比较。他们之间有两个主要区别：E.on标准的电压跌落维持时间更为苛刻严格（NGC线下面的红色线）以及NGC标准要穿越的电压降落更为严格苛刻-下降到0（对应E.ON的15%）。

给出了NGC标准和爱尔兰跨断层标准的比较。同样的问题在E.ON两发现也可以在这里找到。这是高压电网零电压故障的要求，以及长时间电压降的相对松散的要求（相对于爱尔兰风电并网）。与E.ON标准比较，同样的结论也适用于这里。有一点要注意的是，爱尔兰的标准适用于110kV电网连接的风电场。在爱尔兰的标准电压降比国家标准更严格。爱尔兰网格标准覆盖110kV电网及其修订标准考虑了电网的薄弱部位。

2 低电压穿越能力探讨

双馈发电机和全功率变流器是市场上最流行的2种变速风力机模型。图1双馈系统和全动力系统的比较。在双馈发电机，定子和电网的直接连接。这种情况下的定子的动态特性是不理想的。如果在齿轮箱的情况下不使用电力系统，它是我们常说的直接驱动装置。完整的电力系统，实现了机组和电网的完全解耦。单元与电网之间的完全解耦是通过优化方案满足低电压穿越的要求，这是由于电网在转矩和电流控制中的故障比较容易控制的。此外，通过一个更深入的分析的成本，我们发现，双馈系统的成本优势，将不再是如果我们考虑所有的成本因素。

2.1 全功率变换风力发电机组

实现变速风力发电机的一种方法是使用全功率变换器。全功率变换是通过全功率变换器对电网的所有功率的发电机。电压源换流器可以满足要求的故障交叉性能，因为风力发电机组通过直流母线实现隔离的电网和电网不会受到严重影响的短路。一旦发生故障，电网侧变流器限制了有功功率输出，并通过向电网注入无功功率来支持电压。在电缆和直流母线电容器的分布中，将发电容量存储在直流母线电容器中，从而导致直流母线电压的上升。一旦电压上升到阈值以上，该转换器将限制有功功率的发电能力，因此，能源是暂时储存在风扇叶轮中，它可能会导致叶轮开始加速。一旦故障被清除，无功功率的支持作用逐渐成为不必要的，并且随着所需的功率的增加，有功功率的输出将逐渐增加。当风力发电机组继续工作后，故障已被清除。

当低电压事故，送风机功率不能完全送入电网，特别是当故障与风电场比较接近时。所以我们需要管理能量，直到电压恢复正常工作。一种方法是简单地把能量消耗在电阻负载上。

变速风力发电机的全功率变流器通常采用（永磁同步）同步发电机。发电机通过一个并网的后端转换器。直流回路是由两个转换器解耦的，可单独控制。发电机侧变流器控制风机转速正常运行，实现最大风能捕获。整流器的能量被送到直流母线上。电网侧变流器将直流母线供电网络。发电机侧变流器决定了系统的总功率，逆变器供电的电网。图2（a）是转换器的控制结构。

电网中的故障会使变频器端电压降，而且由于电流是有限的，会导致逆变器供电电网的能量会降低，直流母线电压会增加。为了避免直流母线电压过高，应采用电网侧变流器的控制。通过引用最大功率输入到电网。使用电机侧变流器的功率控制整流器的功率，以避免直流母线电压过高。控制结构图2（b）所示。由于供应减少直流母线供电，发电机的转速将增加。为了避免风力涡轮机过快的速度，通过变桨来减少输入的机械功率有可能是十分必要的。然而，这是一个非常缓慢的过程，所以发电机的速度很可能继续增加在一定时期内。

2.2 双馈风力发电机组（DFIG）

双馈风力发电机组在电网故障中由于在定子电流浪涌浪涌引起的转子电路和变频器的冲击下，承受更高的流量冲击。为了避免损坏电气和机械零件，风机应当脱网。然而，这种解决方案是不可取的，特别是对电网稳定问题造成的电网干扰的时间短的情况下。因此，需要一些主动保护系统。

该变换器不同于直接驱动风力发电机组。该转换器是連接在定子和电网之间，和该转换器与电网连接。电压暂降性能是变频器的电压幅度。为了保证在电网中的恒定功率，电流将增加。然而，电流应受到电流控制器的限制，以避免转换器的过载。因此，这就限制了电压跌落时双馈风机能量馈入电网。风机端部的电压降落会导致DFIG的定子绕组振荡电流。检测到转子侧的故障电流，转子电路和转换器也将流过大的振荡电流。大电流会导致转换器的热击穿。通过短路，该转换器可以避免损坏转换器。然而，由于短路的出现，直流母线电压不向上或向下，这取决于发电机工作在二或同步状态。此外，由于输出和输入机械功率馈风机的电网不平衡，有时会加速风。这使DFIG的低电压穿越更复杂，它似乎比直接耦合的感应电机直接驱动技术更困难。

双馈电机实现低电压穿越的方法之一是使用短路。该转子是暂时短路，以保护转换器，然后发电机以保持电网故障达到故障清除，转子侧逆变器被重新激活。如果发电机在状态的状态，情况是更复杂的。这是因为短路断路器会将转子绕组短路。然而，在这种情况下，电机需要从转子侧的功率吸收。该发电机的工作原理类似于异步发电机的二次同步状态，以加速超同步状态。即使在有源短路，直流母线可能需要增加直流母线电容，以稳定直流母线电压和恢复后的故障间隙的有功功率。

虽然这种方法似乎比较简单和成本效益，但在很大程度上取决于实际性能的初始运行状态和故障特征。对绕线式异步发电机的短路是鼠笼式发电机，和笼型转子感应发电机的操作是不相同的。当短路断路器被拆除时，暂态状态下转子侧变换器的初始化控制和同步是很复杂的，可能会导致保护设备的启动。

Niiranen（2004年）提出了几个短断路器的拓扑结构，如反并联晶闸管短路，半控晶闸管桥断路器和二极管桥式电路断路器。转子相电流通过二极管和IGBT整流桥晶闸管或是用来控制短路。短路是由一个与转子和一个晶闸管与一个电阻的电流rcrow系列二极管整流桥。当直流母线电压Udc达到最大值或转子电流达到极限值时，转子与DFIG转子侧变换器从转子侧变换器分离，连接短路。该转子在主电路和断路器之间连接，直到定子和电网断开。当电网故障排除后，转子侧变换器的启动，定子与电网连接的同步发电机后。上面描述的转子过流保护称为无源短路。

同样的拓扑结构也可用于低电压穿越特性的有源短路断路器。与传统的无源电路相比，有源短路是由半导体器件实现的。这种短路切断短路电流所需的转子，使机组能通过电网。如果转子电流或直流环节电压达到极限，转子侧变换器的IGBT受阻。在短路断路器的过程中，检测电路的电阻电压和直流母线电压。当上述两个电压足够低，短路断路器的去除。经过短时间的延迟，转子电流减小，转子侧逆变器，无功功率输出支持电网。

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