风力发电低电压穿越技术探究

谭黎明

摘要：风力发电机组在运行过程中，对于自然因素的依赖性较大，风力的不确定性使得其很容易出现电压跌落的情况，要求技术人员能够借助低电压穿越技术来对电压跌落带来的问题进行解决。基于此，电力企业应该从电网发展的实际情况出发，对管理策略进行规范，以低电压穿越技术来推动风电事业的发展。
关键词：风力发电;低电压穿越技术;

引言

风力发电机在正常运行中，极易出现的问题就是电压跌落，如何更好地通过低电压穿越技术去除电压跌落方面的问题，是目前风力发电领域所研究的重点。结合目前我国所存在的电网并网问题制定有效的管理标准，全面提升低电压穿越测试技术水平，从而更好地促进我国风力发电事业的发展。

1 低电压穿越能力概述

随着风电接入规模及其对系统的影响日益加剧，世界各国针对风电系统并入电网相继制定了相应的并网导则或规范，其中对风电系统低电压穿越能力的要求一般包括几个方面：需承受的电压跌落范围和不间断运行时间、低电压下需提供的无功支撑能力和响应速度，以及电网电压恢复后风电机组恢复正常功率输出的时间等。我国国家标准GB/T19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》对风电场的低电压穿越也做出了相关要求，即并网点电压跌至20%标称电压、持续时间不超过625ms，或并网点电压跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电机组能够保证不脱网运行。此外，要求风电场在低电压穿越过程中具有无功支撑能力，即当风电场并网点电压处于标称电压的20%~90%时，自并网点电压跌落时刻开始，风电场提供无功电流的响应时间应不大于75ms、并至少持续550ms的时间，且所提供的无功电流与并网点电压跌落幅度成正比。另外，在低电压穿越结束后，要求风电机组有功功率自故障清除时刻开始，以至少每秒10%额定功率的变化率快速恢复至故障前的水平。

2 低电压穿越中的故障分析及措施

2.1变频器过电流的原因及处理

2.1.1变频器进入低电压穿越前过电流

变频器在电压跌落过程中的产生的过电流，原因有以下2个方面：1）网侧电压开始跌落时，无控整流后的直流母线电压同时开始下降，由于变频器还未闭锁输出，将保持输出功率不变，输出电压降低，引起输出电流增大[15]。2）同步电机正常运行时，电机感应电压与变频器输出电压平衡，当发生电压暂降时，变频器输出电压与电压暂降同步下降，电机的感应电压与变频器输出电压产生电压差，形成感应电流，与负载电流合成，瞬间超出系统保护定值，引起过电流.为了避免引起这两部分电流叠加后造成总电流过流引起机组停机，造成低电压穿越失败，有以下2种解决方案：①提升检测方案，同时根据不同的变频器容量等级，选择合适的低电压穿越保护数值，及时闭锁输出，防止产生过流。避免在电压跌落期间产生过电流最有效的方式是在电压跌落至保护值时尽早闭锁输出，减少两部分叠加电流。②升级检测算法，及时闭锁输出，降低负载电流，以避免产生过流。而对于能够及时检测出电压检测幅度的算法，对系统硬件的要求较高，消耗的系统资源较大，荣信变频器控制器运算能力较强，通过升级检测算法，降低检测电压跌落时间，以提早闭锁输出，防止产生过电流。同时，由于荣信变频器设计的额定容量裕量较高，提早闭锁输出可以防止产生电流过流。

2.2变频器的其他保护

低电压穿越实现过程中，失败的最大原因是过电流故障，除此以外，不同厂家由于设计理念的不同，存在其他保护参数（如转差率保护）。当机组正常运行时，机组转速长时间不能达到机组控制输出转速时，引起转差率保护，变频器控制系统判断变频器存在故障，执行停机命令，造成机组停机。机组进入低电压穿越后，闭锁输出后转速下降，而恢复期间转速并不能立即达到控制系统输出转速，有可能造成转差率保护，一方面可以延长转差率检测的时间；另一方面，可以降低转差率报警级别，由保护停机降为显示报警信息，可以解决此项保护停机问题。对于不同厂家的变频器，其他辅助保护功能有所不同，综合分析对机组的影响，通过更改保护定值、增加延时、改变报警级别可以进行处理。

3 风力发电低电压穿越技术的实现

3.1定速异步发电机低电压穿越技术

定速异步发电机在遭遇电压跌落的情况时，会提升电磁转速，因为其结构比较简单，采用的是变桨控制模式，运用相应的方式对故障原理进行确认后，能够借助变桨控制来将发电机的电磁转矩缩短，保证系统运行的稳定和安全。定速异步发电机系统运行中，风机的桨叶惯性较大，通过变桨控制的方式，可以很好的满足系统运行需求，更好地对无功功率进行控制，提升电网运行的效率和效果。而从实际运行的角度，可以采取有效的措施和方法来减少电机对于电网无功的吸收：一是可以在定速异步发电机内部，设置相应的静态无功补偿装置，从电网的实际运行情况出发，做出相应等级的补偿，提升实时控制的效果，确保系统在静态运行的情况下，能够实现低压穿越；二是可以借助静态补偿器，自动补偿系统电压，提高低压穿越技术的应用效果，确保电网侧电压下降时，系统依然能够实现正常稳定运行。

3.2双馈异步发电机低电压穿越技术

双馈异步发电机的低电压穿越可以通过三种不同的方式实现：一是转子短路保护，借助系统中存在的发电转子旁路保护电路，满足安全运行需求，促进系统低压穿越能力的提高。当系统电网电压下降时，发电机内部变流器会产生闭锁，旁路保护装置启动，并且于励磁变流器运行中产生的电流和转子绕组能够保证电压系统的稳定，确保发电机不会出现脱网运行的现象；二是应该从实际需求出发，对控制策略进行制定和实施，当系统电压下降时，可以通过暂态分析的方式，针对转子电流分量进行有效控制，通过对定子磁链中暂态电流的合理应用，实现系统灭磁处理，提高发电机的低压穿越能力；三是应该引入新型的拓扑结构，变流器经电极定子一侧的变压器与电网连接时，会在双馈异步发电机一侧产生较大的电压，带动电磁电压的变化，清除定子磁链振荡引发的问题，保证转子流量数据的有效控制，规避电网电压跌落带来的负面影响。

3.3同步直驱式风力发电机

该种形式的电动机在安装时，定子并未直接和电网连接，其主要是利用背靠背面两个PWM变压器用于连接，在电压降时可能会降低网络的工作效率。原因是发电机电路发生了很大变化，直流母线的压力增大，结构对变频器的功能和运行有直接影响。为了确保直流母线正常工作，必须对电路采取必要的措施以增加电流输出电路，从而可能对变频器造成严重的损坏连接。

结束语

新的发展环境下，社会对于电能的需求持续增长，风力发电的规模不断扩大，在电力供应中占据了越发重要的位置。不过，风力发电机组的运行稳定性相对较差，由此引发的电网故障问题会带来电压的下降，对电能供应产生直接影响，针对这样的问题，技术人员应该从实际情况出发，采取有效的应对和解决措施，做好低压穿越技术的研究和推广，切实保证电力供应的稳定性。
参考文献

[1]肖杰俊.风力发电低电压穿越技术探究[J].现代工业经济和信息化,2020,10(11):145-146+157.

[2]曹斌,刘文焯,原帅,许冰,贾焦心,颜湘武.基于低电压穿越试验的光伏发电系统建模研究[J].电力系统保护与控制,2020,48(18):146-155.

[3]吴军.论述风力发电低电压穿越技术[J].智能城市,2020,6(01):72-73.

[4]王子若鹄,王云亮,周雪松,马幼捷.风力发电低电压穿越技术[J].电子技术与软件工程,2019(14):224-225.

[5]周利鹏.风力发电低电压穿越技术综述[J].科技创新导报,2018,15(21):26+28.