风力发电低电压穿越技术

文/王子若鹄 王云亮 周雪松 马幼捷

1 介绍

根据许多国家最近的电网规范，风电机组在电网故障时需要保持连接，有利于系统稳定。双馈感应发电机(DFIG)在风能转换系统中得到了广泛的应用，近年来对其低压穿越(LVRT)技术进行了广泛的研究。

DFIG的定子绕组直接与电网相连，转子绕组由背对背的三电平变换器供电。通过控制转子和电网侧变流器，可以调整DFIG特性，使风力机的有效功率转换或捕获能力达到最大，控制风力机的发电，波动较小。功率变换器通常采用矢量控制技术、对有功功率和无功功率进行解耦控制。

转子侧变换器的目的是控制独立活动和无功功率在电网，而电网侧变换器直流母线电容电压保持在一组值不论转子功率的大小和方向，保证转炉操作统一功率因数(无功功率为零)。在电压下降的情况下，发电机侧和并网侧变换器的控制器通过将多余的有功功率储存在发电机的惯量中，并保持直流环节电压不变，实现了低压共线的要求。它会引起转子绕组过电压和过电流，从而损坏转子侧变换器。

2 主要的电网问题

随着风力发电的发展，风能转换系统与电网的相互作用将给系统的安全可靠运行带来新的问题。间歇性风电的高渗透可能会对电网产生以下影响：电网稳定性差、低频操作、低功率因数的影响、功率流、短路等。

2.1 电压工作范围

风力涡轮机需要在典型的电网电压变化范围内运行。为保证电网安全可靠运行，风电场电压(kV)运行电压限值应在国家规定的范围内。

2.2 频率工作范围

风力涡轮机需要在典型的电网频率变化范围内运行。频率容差范围为47.5 ～ 51.5 Hz。除此之外，公差范围由制造商指定。风力涡轮机应该能够承受0.5赫兹/秒的频率变化。

2.3 有功功率控制

这是风力发电机根据系统要求调节风力发电机有功功率输出的能力。用于保证系统频率稳定，防止输电线路超载，风力发电机在启动和关闭过程中远离大电压波动和涌流。

2.4 频率控制

网格代码要求风电场提供频率调节能力，以帮助维持所需的电网频率。系统频率是系统功率平衡的主要指标。

2.5 电压无功控制

电网规范要求单个风力发电机通过自动调压器将自身的端电压控制到一个恒定值，并提供动态无功控制能力，使无功平衡和功率因数保持在期望的范围内。风电场的功率因数应保持在0.95落后至0.95领先。

3 低电压穿越的发展

低压穿越(LVRT)，是指当风力机网络电压下降时，风力机可以维持电网，甚至向电网提供一些无功功率，支持电网恢复直至电网恢复正常，从而“穿越”低压时间(区域)。不同国家(地区)对LVRT提出的要求是不一样的，中国标准是20%电压，625 ms，接近AWEA(美国风能协会)的标准。本文简要介绍了双馈感应发电机和PMSG的低电压穿越技术。

双馈感应发电机的低电压穿越技术：

双馈感应发电机定子侧直接与电网连接，电网与电网直接耦合，使电网电压降直接反映在定子端电压上，造成定子磁通直流分量发生，在不对称故障时会出现负序分量。直流分量和负序分量的定子磁通对高速运行的电动机转子将形成更大的滑移(分别转差频率附近的ks和2ks,ks是同步角频率),导致更大的转子电势和更大的转子电流,导致转子电路中电压和电流大幅度增加。对于双馈感应发电机，从电压下降到恢复，AC/DC/AC变换器连接到转子侧，转子功率电子器件具有有限的过电压和过电流能力。如果不采取控制措施限制电压降中的故障电流，较高的暂态转子电流将对脆弱的电力电子设备构成威胁。变换器的输入输出功率不匹配可能导致DC-link电压升高或下降，因此双馈感应发电机的低电压穿越实现较为复杂。下面简要介绍几种双馈感应发电机低电压穿越实现。

在双馈感应发电机运行控制中，传统的基于定子磁场方向或定子电压方向的矢量控制方法得到了广泛的应用。在这种控制方法中，常用的PI调节器实现有功功率和无功功率的独立调节，并具有一定的抗干扰能力。

4 双馈感应发电机建模与控制

在基于双馈感应发电机的风能转换系统中，功率电子变换器只需要处理总功率的一小部分(20-30%)。这意味着电力电子变换器的损耗可以减少，相比之下，电力电子变换器必须处理总功率的系统。此外，该转换器的成本变得更低。双馈感应发电机的定子电路与电网连接，转子电路通过滑环与变频器连接，如图1所示。

图2所示为任意参照系中以同角速度旋转的双馈感应发电机等效电路。

定子和转子电压在同步参考系中可以表示为：

图1：基于DFIG的风力机工作原理

图2：DFIG的等效电路图

5 发展趋势

大规模的风力涡轮机。可以减少面积，降低并网成本和机组发电成本，提高风能的利用率。风力发电机正变得无刷。无刷可提高系统可靠性，实现免维护，提高发电效率。

在强电网区域，可以适当放宽低电压穿越要求，从而降低项目成本。在弱电地区，有必要实施严格的低电压穿越标准，以确保电网和机组的安全。由于双馈感应发电机风力发电系统运行控制本质上是控制励磁频率，因此对于各种电网故障情况，改进双馈感应发电机控制策略将是今后低电压穿越研究的重点。特别是在电网故障较轻的情况下，采用不增加硬件的改进控制方法。

6 结论

随着以双馈感应发电机为主体的大型风力发电机组装机容量的不断增加，提高并网风力发电能力显得尤为重要。电力系统将对并网风电机组在电网电压降的情况下提出更高的要求，风力发电系统必须具备低压穿越能力，因此提高低压穿越能力将是未来研究的热点。虽然双馈感应发电机在世界上仍然是主流的发电方式，但近年来，直接驱动永磁同步发电机由于其结构更加简单、低电压穿越性能更好，在市场上的份额逐年增加。