风力发电系统低电压穿越技术研究

[摘 要]随着我国风电穿越技术的飞速提升，低电压穿越作为电力行业热点备受关注。文章根据国网的低压穿越标准，阐述了风电设备的低电压穿越要求，解析了电网电压骤降时DFIG的动态特性，介绍了硬件的布局设计，结合DBR、Crowbar及转子电流续流二极管等，辅以主控系统及网侧、机侧变流器的低穿控制算法进行模拟验证。仿真试验结果表明，该低电压穿越策略可有效保障电网的持续稳定运行。

[关键词]风力发电；风力发电系统；低电压穿越技术

[中图分类号]TM614 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0024–03

Research on Low Voltage Crossing Technology of Wind Power Generation System

AI Yong，ZHANG Xiaolong

[Abstract]With the rapid improvement of wind power traverse technology in China， low voltage traverse has attracted much attention as a hot spot in the power industry. According to the low voltage crossing standard of the State grid， this paper expounds the low voltage crossing requirements of wind power equipment， analyzes the dynamic characteristics of DFIG when the grid voltage plunts， introduces the layout design of the hardware， combines DBR， Crowbar and rotor current continuous diode， and simulates the low crossing control algorithm of the main control system and the converter on the grid side and the machine side. The simulation results show that the low voltage crossing strategy can effectively guarantee the continuous and stable operation of power grid.

[Keywords]wind power generation； wind power generation system； low voltage ride through technology

1 低电压穿越技术要求概述

低电压穿越技术的核心需求包括：①电网故障时应保持连接并具备故障时无断开风险的能力。我国要求风电场在电网过载85%深度时仍能稳定运行，同时，我国电网降压期间的持续联网时间规定为525 ms，全球平均约在450 ms。②电网故障期间应具有满足动态无功要求的能力。要求即使在电源暂时中断状态下，发电设备仍能为电网迅速注入无功电流，帮助电网维持适当电压，防止超限。③在故障排除后，应迅速恢复至常态运行状态。判断风电场恢复速度的关键在于是否能在最短时间内重新进入高效能输出模式，避免出现任何接地情况，确保电力供应的持续性和稳定性。

2 网压跌落时DFIG动态特性

3 硬件描述

3.1 DBR

DBR（动态制动电阻器）电路由IGBT与电阻串联构建，并连接至直流母线上，其特点是能限制直流母线电压高于预设值。当电压超出此范围时，可通过软件操控IGBT的打开以释放电阻储蓄的能量，使得直流电压保持稳定。合理设定DBR的控制逻辑能够在不同运行状态（包括正常模式、LVRT（低电压穿越）状态以及故障状态）时激活DBR，发挥应有的保护作用。

3.2 Crowbar电路（过电压保护电路）

Crowbar电路由电阻、晶闸管和三相不控整流桥等部件组成，接入发电机转子输出端口。在此之中，发电机的三相交流电经由不控整流成直流电，同时晶闸管的触发信号可运用软件调控在Crowbar电阻上释放电能。

3.3 二极管整流桥

研究发现，在风力发电机组LVRT状态下，机侧变流器停止工作，导致Crowbar失效。然而，鉴于定转子具备强烈的耦合效应，转子的瞬时电流将导致定子电流骤然增大。为了合理地释放此类工况下的转子瞬态电流，在直流母线与转子输出端增设了转子电流续流二极管整流桥，以引导其注入直流母线上进行DBR处理。

3.4 UPS装置

不间断电源设备（UPS）主要应用于主控系统，以确保其在电压下降时仍可获得持续稳定的电力供应。值得注意的是，在LVRT流程中，控制系统的电源电压亦可能发生波动，控制系统的电压源为400 V。为了顺利保障电源模块在电压下降过程中能够持续输出稳定的控制电压，选用了Phoenix/24 V/40 A小型电源模块作为UPS。

4 软件描述

4.1 主控系统

本控制系统配置PLC硬件平台，利用CAN通信操控变流器，接收并传输伺服控制器传来的变桨信号。在LVRT运行状态下，主控系统根据捕获的最大风能灵活调整电流指令，电网电压恢常后进一步校准，确保电流稳平而限制在合理范围，防范电流突升，同时采用软件进行滤波处理。若遇上严峻风暴影响LVRT工作，主控系统应对多种风速强度可优化变桨系统控制。正常运行条件下，双馈式风机旋转变化稳定，无需大幅调控变桨机制；若转速急剧变动，需立即操纵桨角预防飞车事故。

4.2 网侧变流器

网侧变流器在突发网压骤降期与恢复阶段持续运作，负责直流母线电压稳定调节，确保网侧输入电流呈正弦曲线，满足系统对功率系数的要求。为利于电网迅速修复，各类程度电压下降下，网侧变流器应考虑网路无功需要运输的无功功率，同时考虑避免流入发电机有功。对于网压杂乱下降情形，网侧电压与电流生成负序成分，机组配置2倍频率陷波器消除负序分量。

4.3 机侧变流器

同样，机侧变流器在网压骤然下跌时，进行可靠的闭锁停机。为保持直流母线电压稳定性，需引导转子暂态能源至直流母线，利用DBR电路内电阻消耗暂时余留的转子能量。对于电网恢复初期转子电流强大的冲击，应按照预定斜率调整转子电流设定，利用转子电流、电压控制保障风电机组回归正常运行轨迹。另外为防止网压恢复时因为转子过载导致机侧变流器重启问题，运用软件微分法对电流指令实施优质筛选，在刚恢复网压时刻，电流电压可能出现大幅度超调和波动，所需滤波器频率可经由频谱分析与计算得到。

4.4 仿真及分析

为验证研发的硬件架构和LVRT控制策略的效能，运用Matlab实施深度建模并开展仿真模拟。在电网出现电压骤降状况下，定子电流有显著增加。电机侧变换器自动停运后，转子电流须经由续流二极管整流桥流入直流母线，可能导致母线电压攀升，当母线电压数值超出DBR的触发门槛时，DBR将启动动作，转子电流多余电能将通过DBR回路消耗释放。待直流母线电压重归常态，DBR随即停止运行。

5 双馈式风力发电系统低电压穿越技术关键

5.1 转子保护技术

风机系统广泛采用的保护技术核心在于硬件电路的设计。此技术主要通过在发电机转子侧放置特殊电路器件，以及定向通过电气通道等方式，来确保设备的正常运行。例如，在电网跌落等故障环境下，有电磁感应特性的发电机能触发连锁反应，立即采取制动措施确保电力设备不受损害。另外，励磁变流器中经过转子的电流可起到电压保护作用，从而使发电机组得以持续工作。双馈感应发电机在实际运行中采用该保护技术，使电动机始终处于安全状态。在设计双馈式风力发电系统的电路时主要有两种结构：①基于混合桥型的Crowbar电路；②基于IGBT型的混合桥型Crowbar电路，该电路可对变频器进行保护。在Crowbar运行的过程中，无论是双馈发电机还是电网都能保持稳定和安全运作。在发电机组联网运行时，监控系统会根据接入电网的实际需求，自动调节电压值，以准确判定电压级别并处理。需要注意的是，若电网内电压与设定值存在较大误差，监控系统将定位为低压问题，并针对低压可能引发的不良影响进行评估，以防止设备脱离网络运营。

5.2 优化调控控制策略

（1）若电网未能及时有效进行能量回收，那么应将风轮机参考功率设定为零，以显著降低可能存在的安全隐患。

（2）风力发电机组故障发生后，应集中关注转子侧的调控上面，以大幅提升设备整体的低电压穿越性能。

（3）利用控制器对直流电压和定子电压故障进行实时监测，寻找问题的根源所在，确保所有的故障得以迅速解决。同时，转子侧控制器也需要关注有功和无功的异常变化，以便对转子电流进行观察并进行必要的补偿操作。

（4）明确双馈感应发电机的低电压穿越原理，结合相应技术手段，有效控制电流的流动方向，降低负序分量带来的影响。另外，在某些特殊环境下，还可以考虑通过加大定子等量的方式，来抵消转子电流的变动，从而进一步强化设备在低电压穿越方面的能力。

排除电路假设，合理应用科学的控制策略，是有效保障双馈式风力发电系统在低电压穿越过程中保持平稳运行状态的关键因素之一。

5.3 健全技术标准

对于参与电网建设与运维的各类设备制造商和生产商，应响应并遵循相关法规，同时针对自身生产环节中所存在的各种不足进行持续纠正和改善。对于部分地方或城市电网运行实力相对强大的情况下，其所需满足的低电压穿越技术需求可适当放宽。然而，对于电网基础设施薄弱的地方，有必要大幅提高低电压穿越技术标准的设定要求，确保相关设备能够稳定安全的投入使用。同时，从业人员应严格遵照现行监管规则，将低电压穿越功能问题纳入全面管理框架中，以推动各事项科学化配置。

6 结束语

为保障电网稳定性以及及时处理各类故障，尤其是面对双馈式风电系统这一复杂情况，必须采取特殊控制方式，以实现电网故障期间风电系统的稳定运行，进而满足民众对电能不断增长的需求。在直流母线及转子出线路端增加了转子电流续流二极管，借助精密的软件控制方法，使得风力发电装置具有强大的低电压穿越能力。仿真试验结果表明，采用文章所提出的硬件方案和低穿控制策略，可适应电压瞬态下降及恢复过程中的电流需求，有效减小了转子电流峰值，达到了预期的控制目的。

参考文献

[1] 陆仕信.双馈风力发电系统低电压穿越技术的研究[D].湖南：湘潭大学，2018.