双馈式风力发电系统低电压穿越技术探讨

王磊

华能新能源股份有限公司辽宁分公司 辽宁沈阳 110000

在当今的时代之中，世界对于能源的问题越来越关注，对于一个国家而言，能源在国民经济的发展之中以及社会生活水平的提升之中都发挥着至关重要的作用，因为石油等都属于不可再生的能源，其使用对于生态环境的破坏也是十分巨大的，因此，随着人们节能环保意识的不断增强，以及当今能源环境问题的日益严重，人们不得不寻找新的能源。风能就是一项十分重要的新能源，在当今，风力发电系统已经得到了良好的发展，尤其是双馈式风力发电系统之中低电压穿越技术的应用，更是让风电系统得到显著的进步与发展。

1 关于双馈式风力发电系统之中的低电压穿越技术

在风电机组之中，低压穿越的能力指的是当风机并网点的电压跌落情况下，风力机可以继续保持并网的状态，甚至能够将无用功向着电网提供，对电网的恢复起到积极的促进作用，一直到电网完全恢复正常，而在这个低电压的时间以及区域之内进行穿越。在当今，世界上主要的风电技术包括变桨距调节、定桨距调节、变速恒频以及主动时速调节技术[1]。在这些风电技术之中，变速恒频风电技术凭借其最大风能追踪利用率的良好，运行的范围比较宽、以及功率控制策略的灵活有效等诸多的优势，在风电系统之中得到了广泛的应用。在风电机的发展之中，交流励磁双馈发电机的应用以及永磁发电机的应用是其主要的方向。双馈式发电机大多应用的是定子磁场的定向矢量来进行控制，而定子磁场之中的定向就是把同步旋转的坐标系之中，d轴和电动机的定子磁链矢量之间重合，进而对定子磁场基础上，定向双馈式的风力发电机稳定状态之下的有功功率以及无功功率的解耦励磁控制的模型进行推导，这样就可以让励磁控制系统的模型得到进一步的简化[2]。除了这种方法之外，还有应用电网的电压进行定向以及气缝磁场进行定向等的方法。

DTC是直接转矩控制的简称，应用这种控制方法，不需要像对矢量进行控制一样对一系列坐标进行变换，也不需要对直流电动机控制进行模仿，而是直接对电动机磁链以及转矩加以控制，让转矩得以快速地响应，进而使其控制性能变得更加高效。在当今的DTC研究之中已经得到了很大的进展，但是对于理论与实际的结合还不是十分成熟，比如低速的性能以及负载能力等。在我国，DTC技术依然处在初期的研究阶段之中，但是收到这一技术的启发，VSCF双馈风电系统直流功率的开控制已经被提出，DPC就是其简称。DPC并没有复杂的坐标变换，它的实现方法和双馈式的风电机有很大的相似性，它可以将双馈风电机的定子侧的有功功率以及无功功率直接作为被控量，进而对其进行控制[3]。对于输出量，应该根据电压矢量的选择表对转子变频器开关的状态加以确定。

因为滑模变结构的控制系统有着响应速度快、对参数变化不敏感、容易实现以及设计简单的优点，所以已经广泛应用到了风电系统之中。但滑模变结构有着切换抖动的缺点，容易冲击到风电机械设备，所以应该将这一问题加以有效解决。近代国内外的相关专家通过这一理论进行了新的控制方法设计，其中有自适应的控制方法、人工神经网络的控制方法、模糊控制方法等，同时在进行控制的过程中，也会将这些控制方法进行组合或者是复合应用。

2 双馈式风力发电系统之中低电压穿越技术的实现分析

2.1 转子保护技术的应用

转子保护技术在当今的风电系统制造之中是制造商们所常用的一种方法，这种方法主要是借助于硬件的电路来实现，将Crowbar转子的保护电路装置在其发电机的转子一侧，给转子这一侧的电路提供出旁道，如果检测出电网系统之中存在故障，并且出现了电压跌落的情况，双馈感应发电机之中的励磁变流器就会闭锁，并投入到转子的回路旁道之中，对装置起到有效的保护作用，并且让从励磁变流器之中通过的电流与转子的绕组达到有效的过电压保护作用，进而让发电机得以不脱网运行，在这一过程中，双馈感应发电机是按照感应发电机的运转方式来运行的[4]。在当今，Crowbar有着以下的两种典型电路：

第一是混合桥型的Crowbar电路，其结构如图1所示，其中，每一个桥臂都是通过控制器件以及二极管进行串联而组成的。

第二是IGBT型的Crowbar电路，如图2所示，每一个桥臂都是通过两个二极管进行串联，并在直流的一侧串联进一个IGBT器件以及一个吸收电阻所组成的。

励磁交流器也就是转子端的变流器在电网有故障发生的时间段内，和电网、转子的绕组始终保持着连接的状态，在Crowbar投入到工作之中的时候，双馈电动机就可以变成感应电动机来继续运行，所以，在从故障的发生到故障的消除这段时间之内，双馈发电机都可以和电网保持同步运行的状态。在消除了电网的故障之后，将功率开关关掉，就可以切除Crowbar，让双馈感应发电机恢复到正常的运行状态之中。在发电机组进行并网运行的过程中，低电压的检测系统会按照所接入的电网一方实际的需求对电压的限值进行合理设定，通过额定电压百分比对电压降低的程度来进行定义，也可以对低压的持续时间进行设定，如果电网之中的电压比设定电压低，系统就会将这样的情况判定为低压事件，并立即以受到低压影响的严重等级作为依据，将一些其他器件的电源切换成备用的电源，这样就可以保证风电机组不脱网运行，让主控制器以及变流器的系统可以通过相应的措施保障机组的安全运行，同时，也可以将非关键的器件切断，进而使得相关部件不会因为过高的电流而造成伤害。而且，控制系统也要对发电机的转子端进行电流的监测，如果电网之中出现了低电压的情况，并且其持续的时间也超出了设定的范围之内，交流器的控制器就会将转子的短路保护装置启动，进而有效预防功率器件遭到损坏[5]。在低压事件结束之后，发电机的输出功率才可以重新进行提升，此时，主控制器才可以把系统切换到正常的工作状态之下进行运行。

2.2 对控制策略进行改进的方法

为了让成本得以有效的控制，很多专家学者都在找寻一种不增加硬件的电路，仅仅通过相关的改良策略就可以让风电机组的低压穿越得以实现的方法。通过相关专家和学者们的不断研究，最终总结出了几种新的控制策略。

对基于可靠的控制技术H∞以及μ-analysis的方法进行全新的控制器设计，对多种的不利条件加以全面考虑。这种控制器有着以下的控制思路：第一，在发生故障的期间，因为电网不能对能量进行提供或者吸收，所以此时就应该将风电机的参考功率设置为零。第二，在故障发生的过程中，依然要对转子的一侧进行控制。第三，在相关文献之中所建立的H∞控制器，其网侧的控制器应该被用来对直流电压故障以及定子电压故障进行检测，这样就可以让电流的信号产生，进而让故障量得到有效补偿。其转子一侧的控制器被用来对有功异常以及无功异常进行检测，同时有转子电流的产生，进而实现对信号的有效补偿。

在相关的文献之中，指出了双馈感应发电机在进行低电压穿越的过程中，最重要的难点就是在发生故障的时间段之中，转子之中有反电动势的产生，之所以会产生反电动势，主要是通过定子的磁链直流、负序、分量和转子所决定的。在相关的文献之中，通过这个原理，利用限制反电动势的方法对短路的过程之中过电流的情况加以限制，以下就是其主要的思路：第一，通过转子的电压让定子磁链之中的直流分量以及负序分量作用得以减弱。第二，定向转子的电流，让转子的电流可以抵消掉转子磁链之中的一部分直流分量以及负序分量，同时，为了让转子之中的电流以及直流电压暂态的响应不会过大，就应该仔细斟酌低效部分的分量比例。第三，如果可以将双馈感应发电机之中的定子以及转子漏感予以增加，就可以让转子的电流抵消作用得以增强，让机组低电压的穿越能力得以提升。

在不进行电路加设的情况下，仅仅对控制策略加以改进就能够将一些量的暂态相应进行减弱。通过能量守恒的原理来对其进行分析，在电网之中有故障发生的时候，发电机一端的电压就会低于其平时的工作电压，这就意味着系统向电网所输送的电能就无法维持在正常的状态。同时，因为双馈风电系统有着较大的馈性，因此，在短时间之内，调桨系统对于内能的调节范围也是十分有限的，所以其捕获到的风能之中就会有一部分处于过剩的状态，此时如果仅仅应用控制器；来对其进行调节，并不能让这些能量得到一个足够的释放通道[6]。因此，实际上，我们可以认为借助于控制策略的改进就可以让电压以及电流达到均衡的标准，进而保障这两个值都不会过高的状态下，通过系统自身来吸收掉这一部分的能量。但是，这样的方法仅仅在电压跌落并不是非常严重的条件之下才比较适用，而一旦电压的跌落十分严重，仅仅凭借控制策略来进行改进，低电压的穿越是难以实现的，因此，在这样的情况下，就一定要进行硬件的加设来起到辅助电路的作用。

3 双馈式风力发电系统之中低压穿越技术发展的方向分析

通过以上的分析与研究可以发现，在我国，双馈式风力发电系统之中，低压穿越技术的发展可以总结为以下的几个方面：

建立起与我国的实际电网情况相符合的低压穿越技术的相关标准，让风电设备的生产商以及风电场的开发商在相关设备的生产制造以及应用之中都具有可以参考的依据。如果一个地区有着较强的电网，就可以将低电压的穿越技术要求得以适当放宽，进而让工程的成本得以有效降低，但是在有着弱电网的区域之中，就应该对低压穿越的技术标准予以严格执行，这样才可以有效保障电网以及相关机组的运行安全。

因为双馈式风电系统运行的控制本质就是控制励磁变频器，因此在各种电网的故障发生时，双馈式风电机组控制策略的改进应该成为低电压穿越技术在未来的重点研究内容。尤其是对于并不严重的电网故障，在处理的过程中，就可以优先考虑在不增加硬件设备的条件下对控制方法进行改进。

对于当今的双馈式风电系统以及励磁变频器而言，其瞬态的数字模型在精确度方面依然有着一定的不足，并不能将双馈式风电系统处于各种电压故障之下电磁响应的情况加以如实反映，这样的情况就对相关保护装置以及控制策略设计的精准性造成不利影响。因此，对含有保护装置的双馈式风电系统进行瞬态数字模型构建将会成为未来对低电压穿越技术进行研究的重点。

在对电网发生故障时的快速无功补偿方法以及电力电子的相关稳压装置进行研究的过程中，可以适当将电压骤降的时候对双馈式风电系统所带来的冲击予以降低，同时通过双馈式的发电机组来实现电网电压故障的修复以及电压的稳定。这对于未来的低压穿越技术研究而言将是一个十分先进而且可行性很高的控制思想。

4 结语

综上所述，在当今的风力发电以及风电并网等技术的广泛应用与飞速发展之中，风电的电网将会得到进一步的扩大。对于风电并网而言，电网的规程在其运行的方面将会有着越来越高的要求。在电网的故障从发生一直到消除的这一段时间之内，风力发电场不可以只为了自身的安全将其与电网之间的联系切断，而是应该对电网稳定运行的维修任务予以承担。因为双馈式风电系统在电网发生故障的期间内可以通过适当的控制策略来为电网提供有效的无功补偿，进而实现有效的低压穿越功能。通过这样的方式，就可以让风电系统在电网故障的发生期间维持电网正常运行，进而有效满足当今社会人们的用电需求，促进风电企业的良好经营与发展。这对于节能环保目标的实现以及社会经济与环境的和谐发展都将起到十分积极的促进作用。