宋振宇 張鎮(zhèn)浩

摘 要：近幾年，風力發(fā)電的比例在總供電量中已經(jīng)占很大部分，加之風力穿透率的增加，風力發(fā)電很大程度影響了區(qū)域性電網(wǎng)的穩(wěn)定。當電網(wǎng)出現(xiàn)問題引起電壓跌落時，為了解決這個問題解列風力機組將導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至整個系統(tǒng)的崩潰。所以在這個背景前提下，低電壓穿越技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。本文首先描述了目前我國對風力發(fā)電低電壓技術(shù)的有關(guān)規(guī)定，然后分析了不同類型的風力渦輪機在電網(wǎng)電壓下降時的特性，最后對不同機型的差異進行了詳細分析。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電;低電壓;穿越技術(shù)

當今世界風力發(fā)電廠高速發(fā)展，在一些發(fā)達國家中，風力發(fā)電在國家電網(wǎng)中的供電份額非常高，在某些國家和地區(qū)，雖然風力所占的比例較大，但也有相應(yīng)的一些弊端出現(xiàn)。就是通過風力進行發(fā)電的故障產(chǎn)生率也相對較高。所以，在風力發(fā)電的過程中，必須考慮風機的工作情況以及對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響?；诖?，很多國家也都對風力發(fā)電提出了更加嚴格的要求，而風力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)對于此問題來說是一項有效的解決方法，同時也是風電機的設(shè)計中最為困難與復雜的難點。低壓穿越技術(shù)是指在風機接頭出現(xiàn)電壓降現(xiàn)象時，風機仍然可以保持與電網(wǎng)的連接，甚至可以向電網(wǎng)提供一定量的電力來支持電網(wǎng)的復原，也可以直接堅持到電網(wǎng)恢復正常。 電壓驟降不可避免地會給電動機帶來相應(yīng)的暫態(tài)過程，如過電壓、過電流或速度上升等情況，嚴重的情況也會影響風機和風機控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運作。 大多數(shù)情況下，如果是電網(wǎng)故障，風機將實施被動自保護方案，即立即解列，從而保證風力發(fā)電機的正常運轉(zhuǎn)，因為電網(wǎng)的穿透概率比較低，但風的占比如果在整個電網(wǎng)中占據(jù)大部分，整個風力發(fā)電的系統(tǒng)將出現(xiàn)嚴重的故障，并且難以修復，更有甚者，會導致整個風力發(fā)電系統(tǒng)的癱瘓。低電壓穿越技術(shù)在風力發(fā)電的過程中，可以起到使風場中的電網(wǎng)高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的作用，所以低電壓穿越技術(shù)受到大力的推廣。目前，在市場中，比較常見且普遍的風力發(fā)電機有三種，一是直接并網(wǎng)定速異步風力發(fā)電機二是同步直驅(qū)風力發(fā)電機;三是雙饋異步風力發(fā)電機。

一、低電壓穿越技術(shù)功能介紹

低電壓穿越技術(shù)在電網(wǎng)電壓下降時要求并網(wǎng)風機仍能保持運行，根據(jù)對穿越技術(shù)需求的不同，不同國家和地區(qū)有不同的要求，例如歐洲的德國、各地區(qū)風機機密度相對較高，因此對該地區(qū)的低電壓穿越技術(shù)風力機組的要求很高。

二、定速異步機穿越技術(shù)

（一）定速異步機跌落暫態(tài)現(xiàn)象

首先，定速異步機定子直接與電網(wǎng)相連，如果電壓下降，風力發(fā)電機的定子電壓也會下降，這種不對稱會導致負序的分量變化，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差會大，電勢會依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差大小發(fā)生變化，轉(zhuǎn)差大轉(zhuǎn)子電勢相應(yīng)變大，最終形成更大的轉(zhuǎn)子電流。

（二）定速異步機穿越技術(shù)實現(xiàn)

在電壓降的過程中，發(fā)電機主要是由于電磁轉(zhuǎn)矩變小而導引起轉(zhuǎn)速的提高，因風力機的整體結(jié)構(gòu)比較簡單，所以采用變槳控制技術(shù)是最直接的方法，是在檢測到電網(wǎng)故障后快速變槳使輸入的機械轉(zhuǎn)矩變小，從而使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。由于風機槳葉的大慣性，變槳控制對風機變槳性能有很高的要求。因此，應(yīng)首先安裝靜態(tài)無功率補償器，始終為各種功率水平提供無功補償。其次，采用靜止同步補償器對電網(wǎng)電壓進行調(diào)整，有效地改善了恒速異步風機穿越技術(shù)。

三、同步直驅(qū)式風力發(fā)電機

（一）同步直驅(qū)式風力發(fā)電機暫態(tài)現(xiàn)狀介紹

與定速異步風力發(fā)電機不同，同步直驅(qū)式發(fā)電機和電網(wǎng)不是直接相連的，而是通過背靠背式的雙PWM變流器間接鏈接電網(wǎng)，電網(wǎng)的輸出功率會變低在電網(wǎng)電壓迅速降落時，發(fā)電機的輸出功率會短暫的維持穩(wěn)定，所以此刻輸出、輸入功率不同，這個過程中，直流母線電壓會迅速增加，它的上身會使PWM變流器不能正常運行。如果為了維持電壓的穩(wěn)定去采取某些措施，就很可能增加電網(wǎng)輸出的電流，從而導致變流器不能平穩(wěn)運作。

（二）同步直驅(qū)式風力發(fā)電機穿越技術(shù)實現(xiàn)

通過同步直驅(qū)風機暫態(tài)現(xiàn)象的分析可以明顯的看出電網(wǎng)電壓跌 落的主要原因是風力發(fā)電機輸入功率和輸出到電網(wǎng)的功率不一致，進而導致電網(wǎng)側(cè)的 AC/DC、DC/AC 變流器出現(xiàn)過電流或者是直流側(cè)的母線過電壓現(xiàn)象，總的來說是同步直驅(qū)式風機穿越技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵點就 是保證電網(wǎng)電壓跌落時輸出輸入功率一直，比較普遍的解決辦法有兩 種：一種是通過較小風力發(fā)電機的輸入功率來實現(xiàn)，當電壓跌落時， 控制風機變槳來降低風能吸收能力，發(fā)電機定子輸出功率，讓系統(tǒng)功 率得到平衡，上面也提到這種方法的操作難度比較高，同時相應(yīng)較慢; 另一種是在直流側(cè)增加 crowbar 來保護電路安全，電網(wǎng)電壓跌落會吸 收多余的能量，同時通過和變流器的結(jié)合保持直流電壓的穩(wěn)定，這樣 風力發(fā)電機就能夠安全的運行。

四、雙饋異步式風力發(fā)電機

（一）雙饋異步式風力發(fā)電機暫態(tài)現(xiàn)象介紹

雙饋異步發(fā)電機就目前來說，是常見并且應(yīng)用最普遍的發(fā)電機，雙饋的含義是由兩個機件同時發(fā)出電能。這兩個機件分別是發(fā)電機中的定子和轉(zhuǎn)子。這兩個機件都與電網(wǎng)相連，并且與電網(wǎng)存在相應(yīng)的電能交換。

雙饋異步發(fā)電機在發(fā)電過程中通過能量的轉(zhuǎn)化進行能源的產(chǎn)生，由其中的葉輪轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，通過齒輪箱進行加速，把產(chǎn)生出的定子和電能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中。如果電網(wǎng)存在故障，如變流器的功率不一樣，或者電網(wǎng)不相對稱的時候，電機也會產(chǎn)生相應(yīng)的故障，進而導致風力發(fā)電機齒輪箱等其余部件的安全平穩(wěn)運行，風力發(fā)電機的使用質(zhì)量也會受到相應(yīng)損害。

（二）雙饋異步式風力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)實現(xiàn)

實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電的目標必須具備以下幾點要求，第一，在電網(wǎng)出現(xiàn)一系列問題時，保護電網(wǎng)和電壓不能出現(xiàn)故障問題。第二，齒輪箱作為重要的零件機組，在電網(wǎng)故障時避免對齒輪箱進行損壞。第三，隨著我國科技的不斷進步，發(fā)電的范圍也不斷擴大，但是，風力發(fā)電的電能供應(yīng)缺失以及電能源的分布不均衡，導致電網(wǎng)的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生故障。因此，應(yīng)加速LVRT的標準。以上就是實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電的必備要求。

通過雙饋電機進行風力發(fā)電控制，這種技術(shù)形態(tài)相對單一，不能獲得有效的故障控制，使電壓解耦不能實現(xiàn)平穩(wěn)運行;其次，雙饋異步發(fā)電機在出現(xiàn)故障后悔發(fā)生改變，使其中的機件組織準確性缺失，難以進行故障的維修。所以為了使系統(tǒng)的控制能力得以提升，減少相對的震蕩狀況，在發(fā)生故障時，應(yīng)該將其中的定子和電網(wǎng)的連接進行分割，實現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行連接，修復故障，達到正常的工作狀態(tài)。

五、結(jié)論

近幾年，風力發(fā)電的比例在總供電量中已經(jīng)占很大部分，加之風力穿透率的增加，風力發(fā)電很大程度影響了區(qū)域性電網(wǎng)的穩(wěn)定。當電網(wǎng)出現(xiàn)問題引起電壓跌落時，為了解決這個問題解列風力機組將導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至整個系統(tǒng)的崩潰。所以在這個背景前提下，低電壓穿越技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。本文也對風力發(fā)電技術(shù)等進行了一些列的分析，旨在為我國風力發(fā)電技術(shù)提供一些新的思路與建議。

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