风力发电低电压穿越技术探究

黄成

摘要：现如今，我国对于风电等新型能源比较重视。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。本文低压穿越技术展开了相关探究。

关键词：风力发电；低电压；穿越技术

引言：

近些年来，全球的风力发电行业发展十分迅速，发展前景可观，各个国家都十分重视风力发电技术，风电机组装机容量不断提升，即使在全球经济衰退的大背景下，在制造业行业中整个风电累计装增量的增长率依然遥遥领先。由于我国的能源短缺问题、环境污染问题比较严重，风电技术由于清洁、可靠、无需进口的优势成为了发展的重点项目。我国可以开发的陆地风能资源大约分别为253GW，海洋风能资源大约为750GW。风电电源在应用中需注重与电网的协同运行，相关的研究包括电网风电接纳能力、风电机组低电压穿越能力等，但这些研究相对独立，对于技术之间的相互影响及制约作用等处于研究的空白阶段。

1风力发电低电压穿越概述

1.1低电压穿越技术

在发电中，造成低电压的原因一方面是来自电源输入侧的低电压，主要是由于电网电压的波动或主电力线路切换、雷击使电源正弦波幅值受影响、电厂本身的变压器超载或负荷不平衡等；另一方面，是来自负载侧的低电压，主要是大型设备启动和应用、线路过载或启动大型电动机等。低电压穿越指当风力发电网络的电压下降时，风机依然能够维持电网的正常运行，并且向电网提供部分无功功率，直至电网恢复正常，穿越低压时间。在不同国家和地区，对于低压穿越有着不同的要求，我国的标准是①风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；②风电场并网点电压在发生跌落后 2s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电 机组保持并网运行；③风电场所处电力系统频率在 49.5Hz~50.2Hz 范围内，并网机组应正常连续运行；风电场所处电力系统频率在48Hz~49.5Hz(含48Hz)范围内，并网风电机组应不脱网连续运行 30min（图片1为风电场低电压穿越要求）.和美国风能协会AWEA的标准比较接近。一般情况下，低电压穿越技术可以采用的方法有三种，分别是转子短路保护技术、新型拓扑结构以及励磁控制算法，需要技术人员根据电网的实际情况进行选择。

图片1

1.2风力发电技术现状

就技术层面而言，国内的风力发电主要分成了三步走的策略，首先引进国外先进的技术，其次对国外的先进技术进行消化吸收和转化，最后实现自我技术的提升与创新。目前我国传统的电力设备逐渐退出市场，而当前的电力设备进行了更新与换代，我国当前的风力发电的设备也在蓬勃的发展，其组设置也在逐渐提高。就发电行业而言，我国国产的风机设备和关键零件都能够满足我国当前风力发电的需求。所以加强风力发电装备设置的技术创新，促进自主创新能力的提高，能够有效地推动风力发电系统的完善与进步。风力发电的关键技术也是推动风力发电，甚至我国电力行业进步的重要内容，其中控制系统是其关键的内容，为了推动该行业的发展，需要有效地提高控制系统的效率。

2电压跌落对风电系统的影响

2.1DFIG暂态过程

DFIG定子端与电网直接相连，若电网运行中出现电压下降，会导致双馈电子与转子磁链的变化，由此产生暂态电流分量问题，影响转子磁链的平衡，负序分量的存在，使得系统在运行过程中无法实现对称。电子电压的下降，会使得磁链无法有效消除，暂态电流会形成磁链^[1]。不过，在电机高速运转的情况下，转子会出现暂态分量问题，对转子电路产生影响，导致整个系统中电流和电压的升高，若电压超过元器件运行的最大限值，则会导致元器件的损坏。

2.2PMSG暂态过程

PMSG的定子是通过变流装置与电网连接，因此电网侧变压的变化并不会对电机的运作产生影响，这也是PMSG的优势所在。若电网电压因为异常原因出现下降，变流器会迅速动作，依照电压下降的程度，对应增加电流输出，确保输出功率平衡，不过这种情况下，发电机可能会无法提供满足系统稳定运行的电量，母线电容在得不到有效补充时，母线系统中的电压会持续升高，引发相应的不对称跌落问题，电容器等设备的运行安全可能会受到影响。

2.3FSIG暂态过程

FSIG的定子侧与电网直接相连，无法对转速进行全面管控，相应的功能也不能全面满足吸收要求，运行中若遇到电压大幅度下降的情况，会出现转速失稳的情况，电机损坏同时吸收电网无功，引发电网系统运行故障。

3风力发电低电压穿越技术的实现

3.1定速异步发电机

在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同步直驱发电机

在检测到电网电压下降时，系统可以自动执行故障状态下的变桨策略，通过对桨距角的调整来减少风能的吸收，提升低电压穿越能力^[2]。另外，可以在背靠背变流器的直流侧，增加AC/DC双向变换器，搭配超级电容器构筑Crowbar电路，完成与直流侧电容的双向能量交换。当系统处于正常运行状态时，可以通过对超级电容器充电和放电的调节，保证直流侧电压的稳定性；当系统出现故障时，超级电容器能够对直流侧的故障电流进行吸收，保证电压稳定的同时，为网侧变流器的稳定可靠运行提供良好支撑。

3.3双馈异步发电机

3.3.1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^[3]。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。

3.3.2制定控制策略

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^[4]。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。

3.3.3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。

结束语：

总之，通过风电技术的研发及创新应用，确保我国风电系统和电网的稳定、安全运行。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]辛博然.双馈风力发电系统低电压穿越直流侧卸荷电路保护方案仿真[J].电子技术与软件工程,2019(21):197-198.

[2]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.

[3]孙云鹏,谢冬梅.双馈风力发电机低电压穿越技术综述[J].中国设备工程,2017(15):152-153.

[4]赵炜,董开松,秦睿,杨俊,赵耀,张光儒,朱宏毅.具有低电压穿越能力的风电机组测试故障典型实例分析[J].电气自动化,2017,39(04):48-51.