风力发电低电压穿越技术浅析

宋宝印

摘要：随着工业化的进程加快，能源问题日趋尖锐化，世界各国都在开发新的可再生能源，利用风力发电也在全球范围内日趋盛行。我国的风电的装机容量在近几年内也获得了快速地增长。低电压穿越是风里电网中的重要技术，我国的风力电网系统的快速发展对低电压穿越技术提出了新的要求和挑战。

关键词：风力发电系统；低电压；穿越

1低电压穿越概述

低电压穿越即LVRT，指在电网发生故障或者电压下跌时，在一定的下跌范围内风机能够保持并网不脱落，向电网提供无功功率，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间或低电压区域。具体来说，当电压发生故障时，风发机组在这段时间内地控制不能引起电网的相位变化和功率波动。电网电压发生跌落的这段时间，电网只管输电系统的短路电流而忽视风电场内部的短路电流。可以这么说，低电压的穿越技术是决定一个风电系统技术高低的重要指标。

世界各个国家和地区根据其电网状况不同，对低电压穿越技术的指标提出的要求不同。技术指标的制定往往为各国关注的焦点，特别是发达国家将其作为经济发展的战略重点。德国的输电系统运营商E.on公司在2003年提出了低电压穿越的概念，2006年制定了并网标准。由于德国北部的风机密度高，对LVRT的要求如下：当电压跌落至15%～45%时，要求风机一直提供无功支持，并能保持并网至少625ms。而在电压跌落至90%以上，风机一直保持并网运行。我国在2009年制订了风电场并网标准。当电网跌落低于额定电压的1/5，风力发电机保持与电网相连接，并保持运行625ms，风电场并网点电压跌落后，三秒钟之内能还原至90%的额定电压。

2LVRT技术在风力发电低压穿越中的应用

（1）已建成风电场的改造

对于已经建成的风电场，如果不具有LVRT能力，必须适应当前的并网规则要求，对风电场进行改造，目前有几种方案可供选择：在风电场采用动态无功补偿装置，动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压；安装可控串补效限制风电场机端输出电流，提高风电场机端电压；利用串联制动电阻在电网故障时提升风电机组端电压，并吸收过剩有功功率，进而提高风电场LVRT能力；安装超导储能装置，提高风电场机端电压。

（2）电网侧串联额外的变换器

这种技术通过电网侧串联变换器来提高DFIG机组的LVRT能力。这种电网侧串联变换器能够对故障电压进行补偿，保证DFIG定子电压的稳定，相当于一台动态电压恢复器。通过调节DFIG定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、转子电流，以及有功、无功功率的振荡。另外，将DFIG未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压过高。这种结构能实现零电压穿越，具有优良的LVRT能力，缺点是成本高、控制复杂。

（3）故障期间的控制策略

为了尽可能少地增加成本，许多学者都在寻求不增加硬件控制电路，从改善DFIG控制策略的角度来探索DFIGLVRT的实现方法。传统的基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法一般采用PI调节器，实现有功、无功功率独立调节，具有一定的抗干扰能力。但是当电网电压出现较大幅度的跌落时，PI调节器容易出现输出饱和，难以回到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间内，DFIG实际上处于非闭环的控状态。为了克服传统矢量控制的缺点，国内外学者提出了大量的改进控制策略。例如：基于鲁棒控制技术的analysis方法设计控制器；基于静止无功补偿器模式的控制方法；励磁电压控制法：针对电网电压突降时定子磁链中的暂态直流和负序分量，通过调节励磁电压使之产生出抵消性质的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量。

3风力发电机主动式保护设计

在风力发电研究中，电网保护分析是一个重要的研究课题。主动式Crowbar保护装置是用于风力发电机故障保护的保护原理。Crowbar主要使用一个电阻来旁路转子组旁路转换器，以实现当前单向通道的保护模式。目前，它被用于国内风力涡轮机。Crowbar网络保护模式通常用于线路保护。该主动式Crowbar网络保护模式使用一种新型强制换相电子元件GTO，IGCT等来切断任何电流回路。有源Crowbar保护包括一个普通的二极管整流桥和一个旁路电阻，构成一个可变电阻值。在风力发电机联网供电的过程中，可以在断网期间开始保护操作，无断网，以满足风电机组低压穿越技术的关键要求。在Crowbar的电路设计中，需要对保护电阻值进行特定的功率选择来指定电路空间策略。DFIG在有源Crowbar电网保护电路中的电阻值受转子侧变流器最大功率输出功率的最高电压安全系数值的影响。当风力发电机连接到电网发电时，如果发生停电，Crowbar将使限制值最小的电阻器转子抑制侧短路电流。当转子电源消失时，电流不会损坏并排短路转子，转换器设置不受影响。当Crowbar通过电网的电阻值过大时，电网中直流电阻的形成将加剧转换器的恒压电压，并可能损坏转换器。因此，需要根据转子和抑制电流的影响综合确定电阻值。

目前，Crowbar网络电阻控制的主要形式可以分为两种：一是当电网电流不稳定，电阻值增大时，Crowbar会延迟电路故障区域的去除；第二种是电网时当转子中的额定电流超过电网电阻的容差时，Crowbar将锁定线路并阻止转子通过侧面转换器。当电网电流回到设定电流值的下限时，转换器将切断Crowbar的控制。最后，并通过恢复转子。

一般来说，在电网故障处理中，Crowbar在故障线路中处于活动状态。双馈发电机可以限制不受控制的功率输出的功率，并且不对电网中的过电流进行功率处理。这是电网电压恢复。平均水平，并且可以有效控制电网的电压极限，实现电网的故障恢复。风力发电机的定子和转子电流会产生交流感应现象。当电网出现故障时，如果通过转子和侧电路之间的隔离来降低电阻，则需要通过更复杂的电阻逻辑处理方法。否则，可能会影响电流检测。在此过程中，会产生较强的电磁振动。在电路电阻降低的过程中，Crowbar会导致发热。因此，需要考虑适当的冷却措施，以避免线路屏障烧毁。

4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：

风力发电是时代潮流，风电在国家电网供电中逐年增加。因此，当电网故障电压下降时，有必要提高低电压穿越能力。这不仅是测量电网最重要的技术指标，而且也保证风力发电的顺利进行发展的基础。

参考文献：

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[2]和立辉，尹忠东.双馈型风力发电机低电压穿越的探讨[J].科技风，2012（15）：10-10.