王小明

全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對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充，大大緩解了能源供應(yīng)的壓力。風能作為無限的能源，近年來成為世界各國研究和開發(fā)的重點能源，特別是風力發(fā)電成為各國風能資源利用的重點。近年來，我國風電機組容量不斷發(fā)展擴大，隨著技術(shù)的不斷革新，風電機組穿越功率方面越發(fā)強大，功率穿越標準范圍已經(jīng)基本確定。風電機組的類型也在不斷的增加，特別是雙饋式風電機組的開發(fā)和應(yīng)用，使我國風電機組在技術(shù)上又邁上了一個新臺階，進一步促進了我國風電事業(yè)的發(fā)展。

1.風機低電壓穿越概述

風力發(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，風電能源建設(shè)項目的數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷擴大，以其可再生、能源利用率高、效能好、環(huán)保性的優(yōu)勢特點受到國家的重點關(guān)注和扶持。風電機組容量的增加，為電能生產(chǎn)提供了有力的補償，為緩解傳統(tǒng)能源發(fā)電的緊迫性起到重要作用。但是在實踐中我們也清楚的看到，風電機組在運行的過程總，一旦電網(wǎng)有故障發(fā)生，電網(wǎng)中的輸出電壓頻率會發(fā)生大幅度的變化，對電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性造成嚴重的影響。為了有效解決這一矛盾，各國在風力發(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），指的是當風電機組在并網(wǎng)的過程中會出現(xiàn)點電壓大幅度降低的現(xiàn)象，通過低電壓穿越技術(shù)來保持風機并網(wǎng)的同時還能提供一定程度的無功功率用以對電網(wǎng)持續(xù)運行提供支持直至電網(wǎng)能夠恢復正常的運行，最終實現(xiàn)在低電壓時間段或者區(qū)域的“穿越”。電壓的大幅度跌落會造成電機出現(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)在運行過程中突然產(chǎn)生故障，風機處于自我保護會立即解列，從而保證風機不被損壞。但是需要注意的是風力發(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，如果風力發(fā)電在電網(wǎng)中占的比重較大，如果突然采取被動自我保護，會對整個系統(tǒng)造成嚴重的影響，恢復起來比較困難，嚴重的還可能使故障擴大，造成其他機組乃至整個系統(tǒng)全部發(fā)送解列。由此可見，為了維護風電場電網(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。

世界各國對于風力發(fā)電機組在低壓穿越方面都十分重視，通過各國的不同的保護模式進行總結(jié)，我們可以歸納為以下幾點：第一，風電場內(nèi)包括的全部風電機組在實施并網(wǎng)發(fā)電的整個過程中都需要對電壓降壓進行處理，一般在降壓20%的范圍內(nèi)，發(fā)電機組仍然可以正常的運行并網(wǎng)，在至少625ms甚至更長時間狀態(tài)下不切機進行降壓處理；第二，風電場電網(wǎng)線路發(fā)生故障3S后，電壓控制能夠達到額定值的90%并且保持恒定時，風電機組不會發(fā)生斷網(wǎng)切機的自保護動作。隨著低壓穿越技術(shù)的不斷發(fā)展，如今風電機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.電壓跌落對不同風機的影響

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

2.1FSIG和DFIG的暫態(tài)現(xiàn)象

FSIG和DFIG兩種風機都是在定子側(cè)與電網(wǎng)直接進行聯(lián)接，這種直接連接的方式使得其對電網(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，如果有部隊稱故障發(fā)生時會有負序分量存在。電子的轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)的過程中，轉(zhuǎn)速是很高的，當定子磁鏈中存在直流量和負序分量時，相對于轉(zhuǎn)子而言就會產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)差，由此會造成轉(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，直至恢復到正常的期間內(nèi)，短時過電流處于轉(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過電壓和過電流的承受能力相對比較薄弱，倘若不對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；但是對轉(zhuǎn)子電流加以控制勢必會造成變流器電壓大幅度升高，過電壓同樣會對變流器造成損壞，同時變流器在功率的輸入與輸出方面可能會存在不匹配性，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，相對來說DFIG較之FSIG來說，在LVRT方面更為復雜。電網(wǎng)故障，特別是不對稱故障，在從故障到恢復的過度期間，電機的電磁轉(zhuǎn)矩會發(fā)生頻繁的波動，對其它機械部件會造成一定的沖擊，從而對風機運行的穩(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，直接對電機輸出功率造成不利的影響，因此必須對捕獲到的功率進行必要的控制，否則會造成電機轉(zhuǎn)數(shù)不斷上升，在如果風速過高，就算故障已經(jīng)被切除，電磁轉(zhuǎn)矩已經(jīng)增加，也很快對電機不斷上升的轉(zhuǎn)速加以控制。轉(zhuǎn)速的不斷升高必然會造成無功功率的增加，則定子端的電壓隨之進一步降低，使電網(wǎng)電壓恢復正常變得困難，甚至會造成無法恢復的局面，整個系統(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，但是對于發(fā)電機組來說，在瞬時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直流母線的電壓進行控制，又勢必會造成向電網(wǎng)輸出的電流值升高，過電流對變流器同樣具有安全威脅。如果變流器直流側(cè)的電壓波動保持在允許的范圍內(nèi)，位于電機側(cè)的變流器通常都會具有可控性，即使電壓跌落，直到恢復的整個期間內(nèi)，電機的電磁控制都能夠保持基本平穩(wěn)的狀態(tài)，這相對于DFIG來說，在LVRT方面要簡單得多。

3.風機主動式保護設(shè)計

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

在電路設(shè)計的過程中，保護電阻選擇特點功率，對于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。如果風電機組在并網(wǎng)運行期間有故障發(fā)生，短路電流會受到電阻轉(zhuǎn)子的控制作用，當轉(zhuǎn)子動力減弱或者失去時，短路轉(zhuǎn)子不會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，電阻值因受到Crowbar的抑制作用不會發(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，DFIG不能有效實現(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械傳感的不穩(wěn)定，對風電機組內(nèi)部構(gòu)件的安全運行造成影響。

4、結(jié)語

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

（作者單位：國華（呼倫貝爾）新能源有限公司）