風(fēng)機(jī)低電壓穿越的作用

王小明

全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷加大，能源供應(yīng)面臨巨大的壓力。新能源的開發(fā)和利用為傳統(tǒng)能源的短缺提供了有效的補(bǔ)充，大大緩解了能源供應(yīng)的壓力。風(fēng)能作為無限的能源，近年來成為世界各國研究和開發(fā)的重點(diǎn)能源，特別是風(fēng)力發(fā)電成為各國風(fēng)能資源利用的重點(diǎn)。近年來，我國風(fēng)電機(jī)組容量不斷發(fā)展擴(kuò)大，隨著技術(shù)的不斷革新，風(fēng)電機(jī)組穿越功率方面越發(fā)強(qiáng)大，功率穿越標(biāo)準(zhǔn)范圍已經(jīng)基本確定。風(fēng)電機(jī)組的類型也在不斷的增加，特別是雙饋式風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)和應(yīng)用，使我國風(fēng)電機(jī)組在技術(shù)上又邁上了一個(gè)新臺(tái)階，進(jìn)一步促進(jìn)了我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。

1.風(fēng)機(jī)低電壓穿越概述

風(fēng)力發(fā)電在我國現(xiàn)今電力生產(chǎn)中占有非常重要的地位，經(jīng)過多年的研究和探索，風(fēng)電能源建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，以其可再生、能源利用率高、效能好、環(huán)保性的優(yōu)勢特點(diǎn)受到國家的重點(diǎn)關(guān)注和扶持。風(fēng)電機(jī)組容量的增加，為電能生產(chǎn)提供了有力的補(bǔ)償，為緩解傳統(tǒng)能源發(fā)電的緊迫性起到重要作用。但是在實(shí)踐中我們也清楚的看到，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過程總，一旦電網(wǎng)有故障發(fā)生，電網(wǎng)中的輸出電壓頻率會(huì)發(fā)生大幅度的變化，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。為了有效解決這一矛盾，各國在風(fēng)力發(fā)電的過程中中都非常注重低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用，在對(duì)低電壓穿越技術(shù)方面的研究也不斷的加大投入力度，力求使其更加具有規(guī)范性、有效性和安全性。

低電壓穿越（以下簡稱LVRT），指的是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)的過程中會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)電壓大幅度降低的現(xiàn)象，通過低電壓穿越技術(shù)來保持風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的同時(shí)還能提供一定程度的無功功率用以對(duì)電網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行提供支持直至電網(wǎng)能夠恢復(fù)正常的運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)在低電壓時(shí)間段或者區(qū)域的“穿越”。電壓的大幅度跌落會(huì)造成電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速升高、過電流、過電壓等一系列暫態(tài)。通暢如果電網(wǎng)在運(yùn)行過程中突然產(chǎn)生故障，風(fēng)機(jī)處于自我保護(hù)會(huì)立即解列，從而保證風(fēng)機(jī)不被損壞。但是需要注意的是風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比重較低的狀態(tài)下，此種情況是能夠接受的，如果風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中占的比重較大，如果突然采取被動(dòng)自我保護(hù)，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，恢復(fù)起來比較困難，嚴(yán)重的還可能使故障擴(kuò)大，造成其他機(jī)組乃至整個(gè)系統(tǒng)全部發(fā)送解列。由此可見，為了維護(hù)風(fēng)電場電網(wǎng)整體的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)用LVRT技術(shù)是非常必要的。

世界各國對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低壓穿越方面都十分重視，通過各國的不同的保護(hù)模式進(jìn)行總結(jié)，我們可以歸納為以下幾點(diǎn)：第一，風(fēng)電場內(nèi)包括的全部風(fēng)電機(jī)組在實(shí)施并網(wǎng)發(fā)電的整個(gè)過程中都需要對(duì)電壓降壓進(jìn)行處理，一般在降壓20%的范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組仍然可以正常的運(yùn)行并網(wǎng)，在至少625ms甚至更長時(shí)間狀態(tài)下不切機(jī)進(jìn)行降壓處理；第二，風(fēng)電場電網(wǎng)線路發(fā)生故障3S后，電壓控制能夠達(dá)到額定值的90%并且保持恒定時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不會(huì)發(fā)生斷網(wǎng)切機(jī)的自保護(hù)動(dòng)作。隨著低壓穿越技術(shù)的不斷發(fā)展，如今風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力已經(jīng)有了顯著的提高，應(yīng)用范圍十分廣泛。

2.電壓跌落對(duì)不同風(fēng)機(jī)的影響

現(xiàn)今主要有三種類型的風(fēng)機(jī)占據(jù)市場主體，即直接并網(wǎng)的定速異步機(jī)（以下簡稱FSIG），同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)（以下簡稱PMSG），雙饋異步式風(fēng)機(jī)（以下簡稱DFIG），如圖1所示為三種主要風(fēng)機(jī)類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1FSIG和DFIG的暫態(tài)現(xiàn)象

FSIG和DFIG兩種風(fēng)機(jī)都是在定子側(cè)與電網(wǎng)直接進(jìn)行聯(lián)接，這種直接連接的方式使得其對(duì)電網(wǎng)中電壓的變化非常敏感，電壓的起伏升降直接造成電機(jī)定子端的電壓隨之發(fā)生變化，從而使定子磁鏈中由產(chǎn)生直流成分，如果有部隊(duì)稱故障發(fā)生時(shí)會(huì)有負(fù)序分量存在。電子的轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，轉(zhuǎn)速是很高的，當(dāng)定子磁鏈中存在直流量和負(fù)序分量時(shí)，相對(duì)于轉(zhuǎn)子而言就會(huì)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)差，由此會(huì)造成轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的電勢和電流，從而使得轉(zhuǎn)子電路中，原有的電路和電壓值都會(huì)顯著加大。FSIG是鼠籠式轉(zhuǎn)子，從電網(wǎng)內(nèi)電壓開始跌落，直至恢復(fù)到正常的期間內(nèi)，短時(shí)過電流處于轉(zhuǎn)子所能承受電流最大值的范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)子不會(huì)因此而受到損壞。而在DIFG的轉(zhuǎn)子側(cè)加裝有AC/DC/AC變換器，而變換器等元器件在對(duì)過電壓和過電流的承受能力相對(duì)比較薄弱，倘若不對(duì)電壓跌落采取有效的措施加以控制，承受能力薄弱的底子期間會(huì)受到過高轉(zhuǎn)子電流的破壞，從而發(fā)生故障或者毀損；但是對(duì)轉(zhuǎn)子電流加以控制勢必會(huì)造成變流器電壓大幅度升高，過電壓同樣會(huì)對(duì)變流器造成損壞，同時(shí)變流器在功率的輸入與輸出方面可能會(huì)存在不匹配性，這就很有可能造成直流電線的電壓發(fā)生升降變化。由此可見，相對(duì)來說DFIG較之FSIG來說，在LVRT方面更為復(fù)雜。電網(wǎng)故障，特別是不對(duì)稱故障，在從故障到恢復(fù)的過度期間，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生頻繁的波動(dòng)，對(duì)其它機(jī)械部件會(huì)造成一定的沖擊，從而對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及其使用壽命造成不利的影響。定子電壓發(fā)生跌落，直接對(duì)電機(jī)輸出功率造成不利的影響，因此必須對(duì)捕獲到的功率進(jìn)行必要的控制，否則會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不斷上升，在如果風(fēng)速過高，就算故障已經(jīng)被切除，電磁轉(zhuǎn)矩已經(jīng)增加，也很快對(duì)電機(jī)不斷上升的轉(zhuǎn)速加以控制。轉(zhuǎn)速的不斷升高必然會(huì)造成無功功率的增加，則定子端的電壓隨之進(jìn)一步降低，使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常變得困難，甚至?xí)斐蔁o法恢復(fù)的局面，整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

2.2PMSG的暫態(tài)現(xiàn)象

PMSG在定子側(cè)加置有AC/DC/AC變流器，與電網(wǎng)之間呈間接連接的的狀態(tài)。電網(wǎng)電壓的突然降低使得輸出功率隨之降低，但是對(duì)于發(fā)電機(jī)組來說，在瞬時(shí)情況下輸出功率沒有受到影響，功率之間的差值使得直流母線電壓瞬間提高，很容易造成電子器件的故障或者損壞。但是如果采取措施對(duì)直流母線的電壓進(jìn)行控制，又勢必會(huì)造成向電網(wǎng)輸出的電流值升高，過電流對(duì)變流器同樣具有安全威脅。如果變流器直流側(cè)的電壓波動(dòng)保持在允許的范圍內(nèi)，位于電機(jī)側(cè)的變流器通常都會(huì)具有可控性，即使電壓跌落，直到恢復(fù)的整個(gè)期間內(nèi)，電機(jī)的電磁控制都能夠保持基本平穩(wěn)的狀態(tài)，這相對(duì)于DFIG來說，在LVRT方面要簡單得多。

3.風(fēng)機(jī)主動(dòng)式保護(hù)設(shè)計(jì)

在國內(nèi)現(xiàn)今采用最多的用于風(fēng)機(jī)線路保護(hù)的模式為Crowbar電網(wǎng)保護(hù)模式。在電路中采用新型強(qiáng)迫換流的電子組元件GTO、IGCT等對(duì)任意電流回路進(jìn)行切斷保護(hù)。Crowbar電網(wǎng)保護(hù)模式可變值電阻由通用二極管整流橋和旁路電阻組成，在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行期間，能夠在斷線不脫網(wǎng)期間根據(jù)故障情況主動(dòng)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，很好的滿足了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓穿越技術(shù)的關(guān)鍵要求，見下圖2所示：

在電路設(shè)計(jì)的過程中，保護(hù)電阻選擇特點(diǎn)功率，對(duì)于DFIG來說，電阻取值需要充分考慮到位于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器安全范圍的最高電壓值所帶來的影響作用。如果風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行期間有故障發(fā)生，短路電流會(huì)受到電阻轉(zhuǎn)子的控制作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力減弱或者失去時(shí)，短路轉(zhuǎn)子不會(huì)因短路電流的影響而受到損壞，相應(yīng)的變流器定值保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，電阻值因受到Crowbar的抑制作用不會(huì)發(fā)生放大。需要注意的是，Crowbar在激活狀態(tài)下，如果控制組策略操作不當(dāng)，DFIG不能有效實(shí)現(xiàn)電流感應(yīng)的穩(wěn)定效果，電流感應(yīng)的振蕩可能或?qū)е聶C(jī)械傳感的不穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部構(gòu)件的安全運(yùn)行造成影響。

4、結(jié)語

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心方面，低壓穿越始終影響著風(fēng)電供應(yīng)的全過程，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用減少了供電網(wǎng)絡(luò)故障問題的出現(xiàn)，同時(shí)解決了低壓電路保障的問題。由于目前風(fēng)電電網(wǎng)故障恢復(fù)能力還處于研究階段，風(fēng)電機(jī)感應(yīng)穿越的理論基礎(chǔ)也不夠成熟，因此，在通過對(duì)電壓采取降壓處理的方法下，對(duì)于低壓穿越的研究是一個(gè)新型課題。

（作者單位：國華（呼倫貝爾）新能源有限公司）