摘要：自从十九世纪末第一台风力发电机在丹麦被制造出来，引发了巨大的反响。随之全世界各个国家都开始了风力发电的深入研究。时至今日，可再生能源越来越成为工业的宠儿，风能发电在全世界各国都如火如荼的发展着，我国也不甘落后，据资料显示，目前我国风力发电机的累计装机规模在全球占比为：33.6%，居世界装机规模首位。但是在这些快速发展的成就之下，我们也必须清楚地意识到风力发电的不稳定性的这一缺陷，风电资源虽然是绿色的、无污染的，而且发电效率高，但是风力发电系统如果不稳定那么这些优点就毫无意义。而且近几年风电机组脱网事故频频发生，因此，本文主要针对风力发电机组低电压穿越技术进行研究。
关键词：风力发电；低电压穿越技术；研究
引言：随着工业化经常的逐步加快，电力资源现在几乎成为工业化所必需的资源之一，而且对于电力资源的需求量一直呈增长趋势。而且在可再生能源风靡各行各业的今天，风能一直是居于最重要的位置，而且是清洁能源发电中的首选。但是由于大面积脱网事故的发生，导致社会上出现了对风能发电质疑的声音，工作人员在调查事故发生的原因时发现，这些事故发生的主要原因在于一部分并网状态下的风力发电机组没有低电压穿越功能，就是指风电机在出现故障进入到自我保护状态时，就会导致脱离电网的现象发生。而且随着风电应用的越来越广泛，这类问题的解决迫在眉睫。
一、低电压穿越技术概念的分析
在电网当中出现故障问题情况下，风电场应当继续在一段期间内保持运行同时要与电网连接并且不解列，甚至还需要风电场在此期间可以继续提供无功进而为电网电压恢复提供支持即为低电压穿越。
目前对于风力发电低电压运行标准，主要以德国E.ONNetz有限公司提出的为参考。
鉴于风力发电机自身结构特征，想要实现低电压穿越面临着以下难点：
（1）确保故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压都在系统可承受范围之内；
（2）所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性；
（3）控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性；
（4）需要在保证目标实现的基础上合理控制成本费用。
二、风电机组低电压穿越标准概述
当前阶段下，我国和德国、美国、加拿大等各国对风电机组的低电压穿越能力均提出了具体要求。本文以我国国家电网公司为例介绍典型的低电压穿越能力要求。依据Q／GDW392—2009《国家电网公司风电场接入电网技术规定》的要求：风电场并网点三相电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行，风电场并网点电压只要有一相低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。规定风电场低电压穿越要求为：
（1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电机组能够保证不脱网连续运行625ms；
（2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电机组能够保证不脱网连续运行。
有功恢复：针对电网故障阶段未能切出的风电机组，待其有功功率在电网故障处理完成后需要立即恢复，从故障清除工作开始时，应当至少10%额定功率／秒的功率变化率恢复至故障前的值。
动态无功支撑能力：针对总装机容量达到百万千万级别之上的风电基地风电场，在低电压穿越阶段应当具备下面两方面的动态无功支撑能力：
（1）当风电场并网点电压处于标称电压的20%～90%区间内时，风电机组应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大80ms，持续时间应不少于600ms；
（2）风电机组注入的动态无功电流IT≥1．5×（0.9一UT）IN．（0．2≤UT≤0.9）式中：UT风电场并网点电压标幺值；IN一风电场额定电流。
三、风力发电机组低电压穿越技术研究现状分析
当今风力发电在电力能源生产的比例中不断扩大，风电能源己经成为一种发展成熟的新型环保动力能源。近年来，国家对风电建设的投入不断加大，风电装机容量不断增加，在以常规能源发电为基础，风力发电为补充的电能作用互补中，风力发电能够对电力供应故障做到有效的补充，但风力发电机组在电网发生故障时，向电网输出的电压频率会对电网系统造成一部分影响。囚此在风力发电的过程中，需要注意对低压穿越技术进行规范性研究，对电网功率作用、电网供电频率控制输出、低压电网穿越技术进行进一步探讨，尤其是在LVRT方面进行深刻研究。
在目前各国风力发电机组的运行要求中，对低压穿越的条件要求都有自成体系的规定。如美国风力发电技术中对由十电压增值导致的电网故障必须将影响深度降至15%的规范电压恒定区间内，如果在风力发电机并网发电运行过程中，以625ms不切机低压电网穿越，对电网故障可以做到无间断恢复。国内风力发电低压穿越技术的保障恒定值控制在电压增值3S区间段内，当电压额定值域达到90%的电压区间时，风力发电机组能够在并网不断线的基础上持续运行；德国风力发电低压穿越标准是在电压出现增值故障时，风力发电机组必须对
电压具有恒定控制力，在电压收缩区间降低到一定标准后，电网停止对电压进行调节，对风力发电机端电压的降低控制幅度在额定电压平均值的10%左右，发电机组也能够稳定运行，并且对电压进行有效控制。一般电压端主控是采用电压调节器对发生故障20S范围内进行单项短路支撑，并且通过功率转换对电压进行补偿，使无功率电压进行实效运行，电压补偿是采用双倍过量补偿。
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从各国风力发电机组低压穿越电路保护模式中可以看出：首先风力发电站内的所有风力发电机组并网发电过程中电压降压控制在20%的情况下，仍然可以通过发电机组正常并网运行，在625ms不切机进行降压处理；其次风力发电站内出现线路故障3s后，电压主控锁频恢复到额定电压的90%恒定值时，风力发电机组不会出现断网切机现象，而且目前己经投入到风电生产的发电机组己经对低压穿越能力进行专业化改造，并且具有大规模的应用。
四、风力发电机组低电压穿越技术的主要机型及其工作原理
目前各风电场安装的两种主要机型是双馈异步风机和直驱永磁风机，二者都通过采用不同的措施来实现LVRT功能。接下来将具体分析每一种急性的工作原理：
1、双馈异步风力发电机
在外部系统发生短路故障时，双馈电机定子电流增加，定子电压和磁通突降，在转子侧感应出较大的电流。转子侧变流器直接串连在转子回路上，为了保护变流器不受损失，双馈风电机组在转子侧都装有转子短路器。当转子侧电流超过设定值一定时间时，转子短路器被激活，转子侧变流器退出运行，电网侧变流器及定子侧仍与电网相连。一般转子各相都串连一个可关断晶闸管和一个电阻器，并且与转子侧变流器并联。电阻器阻抗值不能太大，以防
止转子侧变流器过电压，但也不能过小，否则难以达到限制电流的目的，具体数值应根据具体情况而定。外部系统故障清除后，转子短路器晶闸管关断，转子侧变流器重新投入运行。在定子电压和磁通跌落的同时，双馈电机的输出功率和电磁转矩下降，如果此时风机机械功率保持不变则电磁转矩的减小必定导致转子加速，所以在外部系统故障导致的低电压持续存在时，风电机组输出功率和电磁转矩下降，保护转子侧变流器的转子短路器投入的同时需要调节风机桨距角，减少风机捕获的风能及风机机械转矩，进而实现风电机组在外部系统故障时的LVRT功能。
2、直驱永磁风力发电机
相比双馈异步风力发电机而言，虽然直驱永磁风力发电机与电网之间通过背靠背全功率变流器实现完全隔离，但是当电网电压跌落时，网侧变流器会出现过电流，当对变流器采取限流措施后，由于直流侧输入功率大于输出功率，且变流器热容量有限，会使直流侧电压升高，损坏变流器配备了基于PWM技术的制动单元，吸收直流侧输入大于输出的那部分功率，并以热能的形式散发出去。从而避免了变流器由于直流过电压造成的损坏，增强了系统的LVRT能力。在输出侧还配置了LC滤波装置，减少了输出谐波，提高了系统容量。
五、风力发电机主动式保护设计
在风力发电的研究中，对于故电网障保护的分析是重点研究课题。主动式Crowbar过电保护器是风电电网故障保护中应用较多的保护原理，Crowbar主要采用电阻绕接转子组旁路变流器来实现电流单向通道的一种保护模式，目前在国内风电机组线路保护中通常采用Crowbar电网保护模式。
主动Crowbar电网保护模式在电路中采用新型强迫换流的电子组元件GTO，TGCT等对任意电流回路进行切断保护，主动Crowbar电网保护的组成有通用二极管整流桥和旁路电阻共同组成可变值电阻，在风力发电机联网供电的过程中，可以在断线不脱网阶段启动保护作业，以此满足风力发电机组低压穿越技术的关键要求。
六、低电压穿越技术在风力发电低压穿越中的应用
1、已建成风电场的改造
针对已建成的风电场，若是不具备低电压穿越性能，那么一定要能够适应其并网标准要求，对风电场加以改造，当前存在几项方案可以进行选择：在风电场采用动态无功补偿装置，动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压；安装可控串补效限制风电场机端输出电流，提高风电场机端电压；利用串联制动电阻在电网故障时提升风电机组端电压，并吸收过剩有功功率，进而提高风电场LVRT能力；安装超导储能装置，提高风电场机端电压。
2、电网侧串联额外的变换器
该项技术能够借助电网侧串联变换器来实现对DFIG机组低电压穿越性能的提升。并且电网侧串联变换器能够有效的对故障电压进行补偿，确保DFIG定子电压的稳定性能，类似于动态电压恢复器。合理调控DFIG定子磁链确保其保持稳定，进而降低或是消除定子电压突变所引起的相关暂态电磁情况，如电磁转矩和定、转子电流，以及有功、无功功率的振荡。另外，把DFIG无法及时传输的能量在直流母线环节输送至电网当中，避免直流母线电压出现过高的情况。该结构可以实现零电压穿越，具备良好的低电压穿越性能，但其也存在一定缺点，表现为成本费用较高，控制起来十分复杂。
3、故障期间的控制策略
为实现对增加成本的合理化控制，业内专业人士都在不断探索不增加硬件控制电路，以优化DFIG控制方式的方面来研究DFIGLVRT的实现方法。传统的基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法一般采用PI调节器，实现有功、无功功率独立调节，具备较好的抗干扰性能，但在电网电压产生大幅度跌落的情况后，PI调节器很可能发生输出饱和，很难恢复到有效调节的状态，导致电压降低与恢复后的一段期间内，DFIG是保持在非闭环的状态中。为改善传统矢量控制的不足，国外专业人士制定了许多的改进控制方法。例如：基于鲁棒控制技术analysis方法设计控制器。
结语：随着对电力资源的需求的不断增加，促使着我们必须对可再生能源的进行更深入的研究和探索，而且由于我国风力资源十分丰富，有着发展风电的良好自然基础，虽然目前我们对于风力发电故障的恢复问题的研究还还不完善，但是随着研究人员的不断探究，我国的风电技术一定会有着更大的进步，未来会有更多的新的科研成果、新的技术应用于风力发电机组低电压穿越技术中，相信未来风电机组脱网事故会越来越少，我们的风力供电系统会越来越稳定，而且未来会有更加智能化、自动化的监测系统应用于风力发电技术中，推动我国智能电网的发展。
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论文作者:郝培英
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/25
标签：电压论文; 电网论文; 变流器论文; 转子论文; 风电论文; 机组论文; 低电压论文; 《电力设备》2018年第3期论文;