風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力研究

【摘要】本文的研究內(nèi)容共分為三個部分，首先是對低電壓穿越能力定義，然后以此引出了低電壓穿越的技術(shù)類型，最后一部分主要研究的是低電壓穿越模型建立的原理。

【關(guān)鍵詞】低電壓；原理；風(fēng)電機(jī)組；功能

自2005年起我國的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量出現(xiàn)了迅猛的增長，其增長的速度和裝機(jī)容量的建設(shè)，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先的地位，由于我國的風(fēng)能潛力巨大，所以未來其將成為我國能源的主要來源。

1、低電壓穿越能力的定義

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)建設(shè)的初期階段，風(fēng)電機(jī)組在我國的電力機(jī)組中所占的比例相對比較小，一旦發(fā)生風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)事故，對電網(wǎng)沖擊的影響是有限的。但是，隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量隨著風(fēng)力行業(yè)的發(fā)展而不斷的增大、電網(wǎng)的穿透率也相應(yīng)的提高，如果出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)上大規(guī)模脫網(wǎng)事故將對電力系統(tǒng)的恢復(fù)起到制約的作用，對電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性都會帶來不利的影響，確保風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)，并且其對于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)還起到了一定的作用，這些都要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠具備低電壓穿越能力（LVRT）。

我們可以將其概述為：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端電壓出現(xiàn)降低，并且處于一定值的時候，風(fēng)電機(jī)組不會從電網(wǎng)脫網(wǎng)，進(jìn)而繼續(xù)保持運(yùn)行，其還能夠?yàn)檎麄€系統(tǒng)提供無功來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的恢復(fù)。而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具備了低電壓穿越的能力，就可以有效的避免保護(hù)動作的時間，當(dāng)故障排除之后就可以快速的恢復(fù)運(yùn)行。最簡單的我們可以定義為：小型發(fā)電系統(tǒng)在一定的時間內(nèi)承受一定限值的電網(wǎng)低電壓而不退出運(yùn)行的能力。

2、低電壓穿越技術(shù)類型

低電壓穿越對于風(fēng)電機(jī)組來說作用是非常重要的，低電壓穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)的類型主要分為三種，第一是比較常用的短路保護(hù)技術(shù)，第二種是我國引入的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第三種技術(shù)是采用合理的控制算法的技術(shù)類型。以下著重對第一種技術(shù)進(jìn)行研究，其中比較典型的是crowbar電路。其實(shí)現(xiàn)過程主要有兩種，一種是利用硬件電路的增加實(shí)現(xiàn)，另外的一種是可以不增加硬件電路來實(shí)現(xiàn)。

（1）不進(jìn)行硬件電路增加實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。首先，要將定子磁化電流的動態(tài)過程考慮進(jìn)去，通過建立相對精確的模型，采取一定的控制策略來繼續(xù)進(jìn)行暫態(tài)電流的減少，最本來的動態(tài)量進(jìn)行補(bǔ)償，做到當(dāng)電壓出現(xiàn)波動的時候做到動態(tài)響應(yīng)的提高。其次當(dāng)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以及定子相應(yīng)的漏感都出現(xiàn)增加的情況，則需要通過增加轉(zhuǎn)子電流去進(jìn)行抵消，用此來增加風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力的提高。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，從定子工頻過電流來進(jìn)行考慮，因?yàn)槎ㄗ与娏鞴ゎl的分量所引起的轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)分量就會受到限制，這時候要對定子磁鏈的暫態(tài)直流分量來滅磁，而這一滅磁的過程是需要通過發(fā)電機(jī)定子電阻來實(shí)現(xiàn)的，這就使得當(dāng)發(fā)生故障的時候有效的規(guī)避轉(zhuǎn)子通過電流。

（2）利用硬件電路的增加來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。在實(shí)際的工程實(shí)例當(dāng)中，要想做到有效的控制所需要做的就是在電流與電壓二者之間得到均衡，這就是使處于低電壓、低電流的時候系統(tǒng)能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行吸收。但是這種控制方法只適合于當(dāng)電壓降低不是十分嚴(yán)重的情況，而當(dāng)電壓跌落較為嚴(yán)重的時候，單純的依靠策略去控制是很難做到低電壓穿越的，這時候就需要增加硬件電路來實(shí)現(xiàn)。利用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)來進(jìn)行低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)是現(xiàn)在使用最多的方法。保護(hù)電路主要有兩種，分別為被動式的和主動式的，工作基本原理是：通過當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組電流的定值較高的時候，就可以利用保護(hù)電路與轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行短接、將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行切除，用這樣的過程來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的保護(hù)。這時候雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的雙饋調(diào)速就會處于不可控狀態(tài)。

3、低電壓模型建立原理分析

利用電網(wǎng)與背靠背模式的PWM變流器進(jìn)行聯(lián)接是雙饋發(fā)電機(jī)組最為明顯的特點(diǎn)，電網(wǎng)側(cè)變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器來提供電源的目的，也能夠?qū)崿F(xiàn)對電容電壓的恒定控制；而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要作用是為轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行相位、頻率、振幅可以變化的勵磁電流，利用此來實(shí)現(xiàn)對機(jī)組所輸出有用功以及無用功的單獨(dú)控制。

類型不同的風(fēng)電機(jī)組，低電壓穿越功能的原理也有著一定的區(qū)別。當(dāng)外部系統(tǒng)出現(xiàn)短路的現(xiàn)象的時候，雙饋電機(jī)定子上通過的電流就會相應(yīng)的增加，而定子電壓及磁通則會出現(xiàn)突然降低的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子側(cè)通過的則是高電流。將電子回路與轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器進(jìn)行串聯(lián)的目的主要是對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器起到保護(hù)的作用，一般的情況下雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組上都安裝了轉(zhuǎn)子斷路器。一旦轉(zhuǎn)子側(cè)所通過的電流超出了設(shè)定值，在一段時間后，轉(zhuǎn)子斷路器就會進(jìn)入工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器將會停止運(yùn)行，但是電網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間仍舊相互連接著，整個機(jī)組仍舊處于并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)外部所出現(xiàn)的故障使得電壓持續(xù)走低，風(fēng)電機(jī)組的控制過程將如下步驟：（1）變流器直流電壓/轉(zhuǎn)子側(cè)電流>限定值，這時候就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷路器切斷轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，而電網(wǎng)側(cè)的變流器與電網(wǎng)仍舊相連，二者是通過變壓器連接在一起的。（2）風(fēng)電機(jī)組的變槳控制系統(tǒng)的主要作用是通過改變?nèi)~片的角度來提高風(fēng)機(jī)吸收風(fēng)能的能力，之后通過齒輪箱和聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)相連，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生輸出電流后與風(fēng)電機(jī)組端電壓進(jìn)行重新連接，保證風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)。（3）當(dāng)故障被排除之后，整個機(jī)組端的電壓將恢復(fù)原狀，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器將進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在轉(zhuǎn)子側(cè)電流所升高的程度無法對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器造成危害的時候，轉(zhuǎn)子斷路器是不會進(jìn)行工作的，而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則保持原來的工作狀態(tài)，若在這一時期機(jī)端電壓出現(xiàn)降低的情況，LVRT功能的實(shí)現(xiàn)完全是可以利用電極本身所具備的調(diào)節(jié)功能，這時候槳距角是不用進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)磁通與電子電壓同時出現(xiàn)降低的情況，輸出功率以及電磁轉(zhuǎn)矩都會相應(yīng)的下降，若這時候機(jī)械功率維持不變化，則降低的電磁轉(zhuǎn)矩就會使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)加速的情況。故當(dāng)外部的系統(tǒng)障礙造成持續(xù)穩(wěn)定的低電壓的情況下，為了對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器做到保護(hù)，不僅需要轉(zhuǎn)子斷路器正常的投入使用，同時還需要對風(fēng)電機(jī)組的槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)吸收風(fēng)能的能力，將風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩減小。定槳距風(fēng)電機(jī)組來進(jìn)行低電壓穿越控制的時候是應(yīng)該采取因地制宜的方式，電網(wǎng)的功能建設(shè)較好的地區(qū)可以適當(dāng)放寬，但是對于電網(wǎng)的安全性比較差的地區(qū)來說，除了需要做到風(fēng)電機(jī)組不出現(xiàn)脫網(wǎng)的情況，還需要將電網(wǎng)所具有的特性考慮進(jìn)來。首先要做的就是在電網(wǎng)發(fā)生故障的時候?qū)o功電流注入到電網(wǎng)當(dāng)中，用此方法來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功能的恢復(fù)。其次要做的就是一旦故障排除后要做到有功功率的迅速恢復(fù)。一般情況下，電壓發(fā)生壓降的時間相對較短，容易產(chǎn)生過電流現(xiàn)象，所以應(yīng)該對在故障時間內(nèi)具有控制過電流作用的電力裝置進(jìn)行研發(fā)升級。

總結(jié)

當(dāng)風(fēng)電場處于初期規(guī)劃的階段，對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的詳細(xì)分析和設(shè)計十分重要，可以利用系統(tǒng)的架構(gòu)以及改變風(fēng)電場的接入方案來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越所設(shè)定的電壓限定值的提高。而低電壓穿越功能對于電網(wǎng)來說，可以有效的降低風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)對電網(wǎng)帶來的風(fēng)險，不僅保證了對電網(wǎng)的安全，而且對于風(fēng)電行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]魏林君.變速風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力研究.山東大學(xué)，2009年4月：1-82

作者簡介

劉文龍（1987），性別：男，籍貫：遼寧省鐵嶺市昌圖縣，工作單位：華電福新能源股份有限公司蒙東分公司，學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，寫作方向：電氣.