發(fā)電機故障引起的雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越研究

武慶元

摘 要：隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，電力運行范圍越來越廣，根據(jù)我國現(xiàn)行的國家標準，對于風電場內風力發(fā)電機組低電壓穿越功能提出了明確的要求。為確保電網穩(wěn)定運行，結合我國電網實際運行情況，提出了發(fā)電機短路故障引起發(fā)電機組低電壓穿越的檢測方案，并在一定程度上優(yōu)化了發(fā)電機組低電壓穿越技術水平。

關鍵詞：風力發(fā)電機；低電壓穿越；故障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.176

隨著我國電力網絡建設的日趨廣泛，有很多原因會導致電網運行不穩(wěn)定，其中，風力發(fā)電機組低電壓穿越功能作為一個保證電力網絡穩(wěn)定運行的因素，對于電力網絡的穩(wěn)定運行有著一定的作用。為保證電力網絡穩(wěn)定運行，當風力發(fā)電場的并網點一旦出現(xiàn)跌落，風機在其跌落范圍內可以實現(xiàn)不脫網運行，需要在風機內部適當增加相關軟件及硬件，以此來實現(xiàn)低電壓穿越。

1 我國現(xiàn)行標準發(fā)電機組低電壓穿越的具體要求

我國現(xiàn)行的發(fā)電機低電壓穿越的國家標準為GB/T19963-2011。相對于國家電網現(xiàn)行的標準，國家標準在國家電網現(xiàn)行標準的基礎上，增加了動態(tài)無功支撐能力要求。對于發(fā)電總裝機容量為1GW以上的風電場內的風電機組，在低電壓穿越過程中變流器應具備以下動態(tài)無功支撐能力。當電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，風電場并網點電壓在額定電壓的20%～90%范圍內，通過無功電流支撐電壓對變流器進行電壓恢復；一旦電壓出現(xiàn)跌落那一刻起，動態(tài)無功電流控制響應時間不應長于75ms，并能持續(xù)550ms。

2 發(fā)電機故障引起的雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越研究

要想使風力機組低電壓穿越得意實現(xiàn)，結合我國現(xiàn)階段電力的發(fā)展水平，需要解決的問題首先是低電壓的檢查問題，并對低電壓事件進行快速有效的檢測。這也是實現(xiàn)低電壓穿越的首要條件。當風力機組進入低電壓穿越時，其主導控制系統(tǒng)是由變流器和主控系統(tǒng)這兩個部件對組成，使得機組在沒有出現(xiàn)故障時不處于脫網狀態(tài)，并且在標準GB/T19963-2011的要求下實現(xiàn)低電壓穿越。

2.1 發(fā)電機故障引起低電壓穿越的原因

在發(fā)電機出現(xiàn)故障時，會引起電壓跌落，進而導致發(fā)電機定轉子電流瞬時突變，定轉子大電流不能及時得到抑制，就會引起發(fā)電機和變流器電流過大，導致發(fā)電機出現(xiàn)故障，進入無功模式，進而實現(xiàn)低電壓穿越。

2.2 風力發(fā)電機組低電壓檢測方法

進行電網電壓檢測的方法有許多種，針對不平衡電壓跌落風力發(fā)電機現(xiàn)象的存在，一般都采用三線電壓dq分解法。將采集的a、b、c三相電壓變換到dq軸表達式為：[ud，uq]=C[ua，ub，uc]T 。

通過將三相對稱電壓在dq軸系下的相關計算，可以得出，一旦d軸電壓出現(xiàn)變化，就可以以此為依據(jù)判斷電網電壓是否出現(xiàn)跌落現(xiàn)象；當不平衡電壓跌落現(xiàn)象出現(xiàn)時，q軸上的分量值也不再為0，因此，可以通過q值來判斷電壓不平衡的跌落程度。

2.3 主控系統(tǒng)對于實現(xiàn)低電壓穿越的控制策略

主控系統(tǒng)與變流器之間相互作用配合可以實現(xiàn)風力機組的低電壓穿越。其主要原理為：變流器通過相關檢測發(fā)現(xiàn)低電壓的存在，就會自動控制機組進入低電壓穿越狀態(tài)，與此同時，對低電壓穿越信號傳輸至主控系統(tǒng)。除此之外，主控系統(tǒng)也會根據(jù)相關設定對電壓實時監(jiān)控，一旦監(jiān)測到低電壓或者變流器出現(xiàn)異常時，其可以控制發(fā)電機組進入低電壓穿越狀態(tài)。在實現(xiàn)主控系統(tǒng)對低電壓穿越的控制時，需要將低電壓穿越保護進行相關的設置。一旦出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象，且被主控系統(tǒng)監(jiān)測到，風力機組就會自動進入低電壓穿越模式，如果電壓跌落在標準要求的范圍之內，主控系統(tǒng)會控制機組實現(xiàn)低電壓穿越；如果跌落電壓較大，主控系統(tǒng)會對相關故障進行報警并停止機組運行。

除了上述的主控系統(tǒng)對風力發(fā)電機組進行控制之外，當主控系統(tǒng)在低電壓穿越控制模式下，也要對發(fā)電機進行一定程度的降速，完成相對應的收槳，其主要目的是防止由于功率過低引起機組超速，在整個降速過程中，需要對風機內部的偏航電動機、冷卻風扇電動機等非變頻控制設備進行臨時禁止運行，以此來抱枕低電壓穿越過程中運行電壓的降低。在低電壓穿越后電網電壓恢復標準要求這個時間段內，主控系統(tǒng)應以機組額定功率10%/s的速率進行功率恢復。

2.4 變流器實現(xiàn)低電壓穿越的控制策略

實現(xiàn)變流器低電壓穿越控制的主要原理是：在進行并網的過程中，如果出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，一般都會出現(xiàn)發(fā)電機定轉子的電流瞬時升高并伴隨著震蕩，變流器一般是在軟件算法上對電流進行抑制，除此之外，還需要在硬件方面實現(xiàn)能量釋放，其主要目的是以此來保護絕緣柵雙極晶體管等相關部件。在實現(xiàn)硬件電路泄放電流時，其主要由兩種方式來實現(xiàn)電流泄放：一種是直流母線進行電流泄放，一種是在轉子側進行電流泄放?；诖?，在進行電流泄放時，應該在變流器中增加直流母線記憶轉子側等電流泄放模塊，除此之外，還要增加電流的檢測模塊等相關設備。在低電壓穿越期間實現(xiàn)電流泄放時，這些模塊主要是用來直流母線的電壓。

2.5 電網故障低電壓穿越過程

風力發(fā)電機在滿功率發(fā)電期間在三相電壓平衡跌落至額定電壓的20%的時候是最為嚴重的低電壓穿越的現(xiàn)象，也是考驗變流器控制的一個重要指標。由于機組控制系統(tǒng)內部參數(shù)設置不能實現(xiàn)突變，當電壓出現(xiàn)跌落時往往會影響到發(fā)電機轉子電流，使其發(fā)生瞬時突變。定轉子大電流如果不能及時抑制，就會引發(fā)一系列問題，造成變流器中功率器件因電流過大而造成損壞。因此在低電壓開始的一瞬間，變流器要充分發(fā)揮自身的控制作用，立即停止機側的勵磁調制，使電流穩(wěn)定后進入一種無功狀態(tài)。

3 結語

在發(fā)電機內部定子短路往往會引起電壓跌落的情況，使其進入低電壓穿越狀態(tài)，這種狀態(tài)下的發(fā)電機組極易出現(xiàn)損壞，進而引發(fā)安全事故。因此，應加強對風電場內風力發(fā)電機組低電壓穿越功能的研究，在實現(xiàn)其控制的過程中，當發(fā)電機內部定子短路引起機組低電壓穿越時，風機應對其進行及時檢測，并且實現(xiàn)設備的脫網運行，而不是持續(xù)執(zhí)行低電壓穿越功能，以此來保證當出現(xiàn)低電壓穿越現(xiàn)象時，不出現(xiàn)風機設備脫網的情況。

參考文獻：

[1]陳昆明.發(fā)電機故障引起的雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越研究[J].上海電氣技術，2017（01）：49-53+63.endprint