风力发电机低压穿越

低电压穿越和电力系统稳定性

风力发电能够顺利地并入一个国家或地区的电网，主要取决于电力系统对供电波动反映的能力。风电机组由于风的随机性，运行时对无功只能就地平衡等原因将对电网造成一定的影响。在过去，我国风力发电所占电力系统供电的比例不大，大型电网具有足够的备用容量和调节能力，风电接入，一般不必考虑频率稳定性问题，当电力系统某处发生电压暂降时风力发电机可以瞬间脱网进行自我保护。但对于先如今，我国风力资源的不断开发。风力发电所占我国电网供电的比例与日俱增就不得不考虑电网电压暂降时风力发电机组脱网给电力系统所带来严重的影响系统的稳定运行这时就需要风电机组具有低电压穿越能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。

电压暂降：供电电压有效值供电电压有效值突然将至额定电压的10%~90%。然后又恢复至正常电压，这一过程的持续时间为10ms~60s。

低电压穿越，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持电压跌落会给电机带来一系列暂态过程, 如出现过电压、过电流或转速上升等, 严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列, 并不考虑故障的持续时间和严重程度, 这样能最大限度保障风机的安全, 在风力发电的电网穿透率(即风力发电占电网的比重) 较低时是可以接受的。然而, 当风电在电网中占有较大比重时, 若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列, 则会增加整个系统的恢复难度, 甚至可能加剧故障, 最终导致系统其它机组全部解列, 因此必须采取有效的措施, 以维护风场电网的稳定。

电网发生故障(尤其是不对称故障) 的过渡过程中, 电机电磁转矩会出现较大的波动, 对风机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风机的运行和寿命。定子电压跌落时, 电机输出功率降低, 若对捕获功率不控制, 必然导致电机转速上升[5～7]。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下, 即使故障切除, 双馈电机的电磁转矩有所增加, 也难较快抑制电机转速的上升, 使双馈电机的转速进一步升高,吸收的无功功率进一步增大, 使得定子端电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复, 严重时可能导致电网电压无法恢复, 致使系统崩溃[9, 10] , 这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。

低电压穿越，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。低电压穿越是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家(和地区)所提出的低电压穿越要求不尽相同。目前在一些风力发电占主导地位的国家，如丹麦、德国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了风电系统离网的条件。

在《国家电网公司风电场接入电网技术规定》(修订版)中也明确地给出了风机组应该具备的低电压穿越能力：

规定的低电压穿越要求为；

a）风电场内的风电机组具有在并网电压跌至20%额定电压时能够持续并网运行625ms的低电压穿越能力。

b）风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，已具备低电压穿越能力。

有功恢复；

对故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后快速恢复，以至少10%额定功率\秒的功率变化率恢复至故障前的值。

对于电网发生不同类型故障的情况，对风电场低电压穿越的要求如下：

a) 当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电

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；风电场并网点任意相电压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。

b) 当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电

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；风电场并网点任意相电压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。

c) 当电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各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；风电场并网点任意相电压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。

目前的低电压穿越技术一般有三种方案：一种是采用了转子短路保护技术，二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法。

1、转子短路保护技术(crowbar电路)

这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其在发电机转子侧装有crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路(释能电阻)保护装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行(此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行)。

目前比较典型的crowbar电路有如下几种：

a)混合桥型crowbar电路，如图1所示，每个桥臂有控制器件和二极管串联而成。

b)IGBT型crowbar电路，如图2所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻。

c)带有旁路电阻的crowbar电路，，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。

2、引入新型拓扑结构

这种结构与传统的软启动装置类似，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率IGBT器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。这样可以减小对IGBT耐压、耐流的要求。对于短时间内