雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越關(guān)鍵技術(shù)

曹雷年

（中國大唐寧夏分公司新能源事業(yè)部，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

近些年來，隨著我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平的不斷深化，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展成為我國電力行業(yè)的主流技術(shù)趨勢。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)基本上都會占據(jù)我國電力行業(yè)的主流發(fā)展位置。但從實際角度上來看，隨著我國風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷拓展，風(fēng)力發(fā)電所存在的間歇性及不穩(wěn)定性的弊端問題越來越明顯，且在上述弊端問題的影響作用下，風(fēng)力發(fā)電容易對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成阻礙[1]。結(jié)合國家電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前電網(wǎng)電壓所存在的故障問題中，由短路故障引起的危害最多，尤其是三相短路問題。嚴(yán)重時可能會對回輸電線路構(gòu)成安全威脅。同時，短路期間并網(wǎng)端的電壓會產(chǎn)生不同程度的跌落現(xiàn)象，引發(fā)低電壓故障問題而導(dǎo)致電磁功率無法發(fā)送出去，繼而引發(fā)嚴(yán)重的低電壓穿越問題。為及時解決這一問題，有必要研究分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越問題，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)手段規(guī)避風(fēng)險隱患問題。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越問題研究與分析現(xiàn)狀

低電壓穿越問題主要是指風(fēng)機并網(wǎng)點的電壓處于跌落狀態(tài)時，風(fēng)力機仍然可以保持并網(wǎng)運行狀態(tài)，甚至可以向電網(wǎng)提供無用功，確保電網(wǎng)可以在一定時間內(nèi)恢復(fù)最初的運行狀態(tài)，直到電網(wǎng)完全恢復(fù)正常運行狀態(tài)為止。在這一過程中，低電壓時間及區(qū)域可以實現(xiàn)穿越狀態(tài)。一般來說，電網(wǎng)出現(xiàn)明顯故障問題時會直接出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)運行問題。究其原因，主要是因為大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機組不具備故障穿越能力。結(jié)合近些年電力事故情況來看，部分故障問題雖然是由于風(fēng)力發(fā)電機組缺乏故障穿越能力所導(dǎo)致的，但是這并不意味著所有故障問題均是由風(fēng)電機組缺乏故障穿越能力所導(dǎo)致的，如風(fēng)電事故是由于電纜頭絕緣故障及其他故障問題所引起的。

發(fā)生低壓故障的主要原因在于風(fēng)電機組單元缺乏硬件支持，導(dǎo)致系統(tǒng)在運行過程中無功負(fù)荷問題表現(xiàn)過大，促使母線中端電壓逐漸升高。結(jié)合以往的運行管理經(jīng)驗來看，大量風(fēng)電機組脫離電網(wǎng)時，系統(tǒng)所涉及的無功負(fù)荷均表現(xiàn)過大，正常運行情況下會導(dǎo)致風(fēng)電發(fā)電機離網(wǎng)運行。而此時低壓無功補償裝置在低電壓故障問題結(jié)束之后，并未發(fā)揮好自身的自動切換功能，導(dǎo)致無功率積累過大，進而引發(fā)故障問題。為及時解決這一故障問題，行業(yè)內(nèi)部人員主張針對風(fēng)電并網(wǎng)低電壓穿越運行技術(shù)問題進行研究與分析。根據(jù)分析反饋結(jié)果，對風(fēng)電并網(wǎng)低電壓穿越運行技術(shù)的關(guān)鍵要點問題進行動態(tài)掌握，確?？梢詾轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運行提供良好保障[2]。

2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穿越關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行原理

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速明顯低于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子會從電網(wǎng)吸收大量無功作為勵磁磁場的主要能源形式，確保定子繞組可以定向輸出電能。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速明顯升高，且明顯高于同步轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速時，定子繞組所形成的感應(yīng)磁場會反作用到轉(zhuǎn)子繞組中。其中，一部分能量作為勵磁磁場的能源表現(xiàn)形式，而另一部分的能量則促使轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電能，并形成與相位相反的關(guān)系，此時轉(zhuǎn)子也會定向輸出電能。也就是說，對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，在運行過程中基本上可以理解為定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組同時向電網(wǎng)饋電的一種運行模式。在這樣運行原理的支撐作用下，雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本上可以發(fā)揮預(yù)期的功能優(yōu)勢，實現(xiàn)低電壓穿越過程，減少系統(tǒng)運行隱患問題出現(xiàn)[3]。

2.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穿越關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 轉(zhuǎn)子保護技術(shù)

轉(zhuǎn)子保護技術(shù)基本上可以視為風(fēng)電系統(tǒng)常用的一種技術(shù)方法。在正式應(yīng)用轉(zhuǎn)子保護技術(shù)的過程中，操作人員需要借助硬件電路進行實現(xiàn)。主要將轉(zhuǎn)子的保護電路裝置放置在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的一側(cè)，并定向?qū)D(zhuǎn)子的這一側(cè)電路提供旁道。如果操作人員發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)存在明顯故障問題，甚至出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機中的勵磁變流器會出現(xiàn)閉鎖反應(yīng)，以便可以對整體電力裝置起到良好的保護作用。此外，勵磁變流器中通過的電流與轉(zhuǎn)子在繞組功能的影響作用下可以達到良好的過電壓保護效果，確保發(fā)電機可以不脫網(wǎng)正常運行。在運行過程中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機主要結(jié)合感應(yīng)發(fā)電機的運轉(zhuǎn)模式及作用原理，實現(xiàn)安全運行過程。結(jié)合當(dāng)前運行情況來看，對于這種運行方式的雙饋式風(fēng)電發(fā)力系統(tǒng)，在電路設(shè)計方面可以細(xì)化分為結(jié)構(gòu)如圖1所示的基于混合橋型的Crowbar電路和如圖2所示的基于IGBT型的Crowbar電路。

對于第一種電路運行方式而言，各個橋臂都是通過控制器件及二極管進行串聯(lián)以實現(xiàn)安全操作過程，而對于第二種電路運行方式而言，各個橋臂利用兩個二極管實現(xiàn)串聯(lián)過程。其中，直流的一側(cè)串聯(lián)與IGBT器件相連接。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障問題時，利用這種連接方式，可以促使電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子間的繞組始終保持安全連接狀態(tài)[4]。當(dāng)Crowbar進入到正常工作狀態(tài)時，雙饋電動機可以轉(zhuǎn)變成為感應(yīng)電動機實現(xiàn)安全運行過程，此時雙饋發(fā)電機與電網(wǎng)可以保持良好的同步運行狀態(tài)。消除電網(wǎng)故障問題之后，現(xiàn)場操作人員可以將功率開關(guān)關(guān)掉，并結(jié)合電力系統(tǒng)運行情況適當(dāng)切除Crowbar，確保雙饋感應(yīng)發(fā)電機可以恢復(fù)到良好的運行狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)電機機組在進入并網(wǎng)運行狀態(tài)時，地電壓檢測系統(tǒng)會根據(jù)所接入電網(wǎng)的運行需求對電壓限值進行合理調(diào)整與優(yōu)化。通過額定電壓百分比可實現(xiàn)對電壓等級的定義處理，同時也可以對低壓持續(xù)時間進行良好設(shè)定。需要注意的是，如果電網(wǎng)之中的電壓比與設(shè)定數(shù)值偏離過大，那么系統(tǒng)會自動將這類情況判定為低壓事件，并利用系統(tǒng)自動化檢測功能對電力系統(tǒng)可能會受到的低壓影響進行等級判斷，將其他器件的電源切換成備用電源，避免風(fēng)電機組出現(xiàn)脫網(wǎng)運行情況[5]。此外，系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)也可以實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)子端的電流監(jiān)測分析，如果電網(wǎng)出現(xiàn)明顯的低電壓運行情況，且持續(xù)時間超過了預(yù)期的波動范圍，那么交流器中的控制器會自動啟動轉(zhuǎn)子短路保護功能，加強對系統(tǒng)運行的安全管理。

2.2.2 基于改進優(yōu)化方式的控制策略

為確保風(fēng)電機組在成本控制范圍內(nèi)可以實現(xiàn)低壓穿越，多數(shù)專家學(xué)者主張利用不增加硬件的電路方式實現(xiàn)改良優(yōu)化過程。結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用研究情況來看，部分專家學(xué)者通過不斷研究與探索，總結(jié)出以下幾種控制策略。

一是發(fā)生故障問題時，電網(wǎng)無法對能量進行有效吸收或者供給，此時操作人員可以將風(fēng)電機的參考功率設(shè)置為零，減少風(fēng)險隱患問題出現(xiàn)。

二是故障問題發(fā)生過程中，操作人員需要集中控制轉(zhuǎn)子的一側(cè)。這樣做的主要目的在于通過集中加強控制，確保系統(tǒng)低電壓穿越能力得以全方位提升[6]。

三是利用控制器安全檢測直流電壓故障及定子電壓故障，根據(jù)檢測反饋結(jié)果，明確掌握電流信號的產(chǎn)生問題，以確保故障量可以得到有效補償。與此同時，位于轉(zhuǎn)子另一側(cè)的控制器可以用于檢測有功異常及無功異常問題，同時觀測是否產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，實現(xiàn)對信號的有效補償。

四是操作人員可以利用雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越原理，借助限制反電動勢方法實現(xiàn)對短路過程過電流問題的嚴(yán)加控制。在具體操作過程中，操作人員可利用轉(zhuǎn)子電壓實現(xiàn)對定子磁鏈直流分量及負(fù)序分量作用的減弱化處理。與此同時，運用定向轉(zhuǎn)子電流抵消轉(zhuǎn)子磁鏈中存在的直流分量及負(fù)序分量問題。此外，在可能的條件下，操作人員可以適量增加雙饋感應(yīng)發(fā)電機中的定子及轉(zhuǎn)子漏感，目的在于抵消轉(zhuǎn)子電流問題，如此一來，機組低電壓穿越能力將會大幅度提升[7]。

結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用操作情況來看，在不進行電路加設(shè)的情況下，利用控制策略基本上可以實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過程。并利用能量守恒原理對其作用過程進行研究與分析，確保電網(wǎng)所輸送的電能始終維持正常運行狀態(tài)。與此同時，操作人員可利用雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的饋性特征，實現(xiàn)對風(fēng)能問題的調(diào)節(jié)處理。但需要注意的是，僅利用控制策略實現(xiàn)調(diào)節(jié)過程是遠遠不夠的，主要是因為這種控制方法僅在電壓跌落且不是很嚴(yán)重的情況下才可以適用，想要全面實現(xiàn)低電壓穿越過程還存在較大難度，因此建議操作人員應(yīng)該加設(shè)硬件實現(xiàn)對電路的輔助處理。除此之外，操作人員還可以適當(dāng)加強對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的日常維護管理水平，減少低電壓問題出現(xiàn)。

3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)的應(yīng)用措施及發(fā)展趨勢分析

根據(jù)研究與分析不難看出，我國雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)在實現(xiàn)方面還存在一定難度。為確保在未來的發(fā)展過程中，雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)得以全面實現(xiàn)，建議相關(guān)操作人員可以從以下幾個方面進行統(tǒng)籌推進與合理部署。

3.1 立足于電網(wǎng)運行實際情況，健全優(yōu)化低壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

電力行業(yè)內(nèi)部應(yīng)該結(jié)合電網(wǎng)實際運行情況，構(gòu)建與我國電網(wǎng)運行情況相匹配的低壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范。這樣的目的在于讓風(fēng)電設(shè)備的生產(chǎn)商及風(fēng)電場的開發(fā)商都可以參與到相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)制造以及應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)當(dāng)中，并主動結(jié)合低壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范，對當(dāng)前生產(chǎn)制造期間存在的不足問題進行及時解決[8]。

需要注意的是，如果某一地區(qū)網(wǎng)運行能力過強，那么該地政府部門可以適當(dāng)放寬低電壓穿越技術(shù)要求，保障工程建設(shè)成本效益得以全面提升。但是對于存在弱電網(wǎng)的運行區(qū)域，當(dāng)?shù)卣块T應(yīng)該加強對地電壓穿越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格執(zhí)行力度，以確保電網(wǎng)及相關(guān)機組設(shè)備得以安全運行。

3.2 利用先進的原理內(nèi)容，提高低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用能力

從客觀角度來看，雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)在運行控制方面主要以勵磁變頻器的應(yīng)用原理控制為主。因此，面對各類電網(wǎng)故障問題，操作人員可結(jié)合勵磁變頻器的應(yīng)用原理及控制方式，實現(xiàn)對低電壓穿越技術(shù)的綜合性處理。對于電網(wǎng)故障并不是很嚴(yán)重的地區(qū)，在處理過程中，操作人員可利用不增加硬件設(shè)備的方式實現(xiàn)對控制方法的優(yōu)化與改進[9]。

結(jié)合當(dāng)前雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)與勵磁變頻器的運行情況來看，瞬態(tài)數(shù)字模型在精度控制方面還是存在較大不足，無法有效反映出風(fēng)電系統(tǒng)各類電壓故障的表現(xiàn)問題及控制要點。對此建議行業(yè)內(nèi)部人員可優(yōu)先利用含有保護裝置的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)，實現(xiàn)對瞬態(tài)數(shù)字模型的構(gòu)建與分析，提高系統(tǒng)低電壓穿越能力。

3.3 高度重視低電壓穿越問題，加強日常維護管理水平

為確保低電壓隱患問題得以全面消除，建議電力行業(yè)相關(guān)工作人員應(yīng)該按照綜合治理標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署。結(jié)合當(dāng)前電力系統(tǒng)建設(shè)情況來看，由于我國部分電網(wǎng)建設(shè)工作缺乏前瞻性與規(guī)劃性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)在運行過程中容易受到多方面因素的干擾影響而出現(xiàn)低電壓問題。為防止這一問題反復(fù)出現(xiàn)，一方面建議電力行業(yè)內(nèi)部管理人員應(yīng)該按照超前規(guī)劃與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對內(nèi)部管理機制進行適當(dāng)健全與完善處理，并在此基礎(chǔ)上，利用科學(xué)合理的方法手段開展配網(wǎng)建設(shè)工作[10]。另一方面各大電力企業(yè)方面應(yīng)該加強對相關(guān)技術(shù)人員的資質(zhì)培訓(xùn)力度，通過不斷提高技術(shù)人員的資質(zhì)能力，確保人工核查及相關(guān)設(shè)計工作內(nèi)容得以準(zhǔn)確貫徹與落實。工作人員應(yīng)該根據(jù)以往存在的低電壓現(xiàn)象及具體成因，擬定科學(xué)合理的綜合治理方案，如可以將變壓器放置在靠近負(fù)荷中心的位置，便于負(fù)荷點向周圍擴散。通過減少供電輻射半徑可減少電壓降過大問題，此外行業(yè)內(nèi)部工作人員也可以利用智能化技術(shù)等手段，實時監(jiān)督與管理電力系統(tǒng)的運行過程，以減少低電壓問題的出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

隨著我國風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的推廣與應(yīng)用，我國風(fēng)電電網(wǎng)規(guī)模將會進一步擴大化發(fā)展。對于風(fēng)電并網(wǎng)運行工作而言，為確保其運行安全性，電力行業(yè)內(nèi)部將會對其運行工作實行更嚴(yán)格的要求。在具體運行管理過程中，電網(wǎng)故障從發(fā)生到消除的時間范圍內(nèi)，相關(guān)工作人員應(yīng)該對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的維修工作予以高度重視，最好可以按照安全管理和隱患治理的原則要求規(guī)避風(fēng)險隱患問題。對于雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)而言，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生明顯故障問題時，雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)可利用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫崿F(xiàn)對電網(wǎng)的無功補償，進而實現(xiàn)低壓穿越過程。根據(jù)現(xiàn)場反饋情況來看，通過利用這種操作方式，不僅可以確保風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間仍然可以保持安全運行狀態(tài)，同時還可以滿足居民用電需求。鑒于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的重要性，建議行業(yè)內(nèi)部人員應(yīng)該加強對該項技術(shù)的研究力度，以確?？梢詮母旧洗龠M風(fēng)電企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。