风力发电系统低电压穿越技术分析解析

风力发电系统低电压穿越技术分析

论文网作者：肖文英张振飞2011-12-27

22:41:10

摘要：首先描述我国风电并网低电压穿越相关规定，然后介绍了在电网电压跌落时不同类型风力发电并网系统的暂态现象及其相应的低电压穿越方案。

关键词：风力发电；电压跌落；低电压穿越

作者简介：肖文英（1978-），女，湖南邵阳人，湖南工学院电气与信息工程系，讲师；张振飞（1966-），男，湖南衡阳人，湖南工学院电气与信息工程系，高级实验师。（湖南?衡阳?421002）

中图分类号：TM614?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2011）24-0115-02

随着风力发电规模的不断扩大，低电压穿越已成为实现风电并网的关键技术，它要求当电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，风力发电机不脱网运行，而且还要给电网提供无功功率，帮助电网恢复，从而安全“穿越”这个低电压时间（区域）。我国正在制订风电并网新标准，准备对风力发电系统的低电压穿越测试提出更高的要求，因此研究风电机组的低电压穿越技术具有重要现实意义。

一、我国风电并网低电压穿越相关规定

不同国家或地区根据电网状况不同，所提出的低电压穿越要求不尽相同。我国根据实际电网结构及风电发展情况制定了风电场接入电网技术规定，其中，对风电机组低电压穿越能力也做出了详细的规定，如图1所示。只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网，当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。

二、不同类型风机电压跌落暂态现象

当前市场上主要风机类型可分为三类，如图2，即直接并网的定速异步发电机、同步直驱式风力发电机和双馈异步式风力发电机。

1.定速异步发电机的暂态现象

定速异步发电机的定子直接接电网，电网电压降落引起电机定子端电压下降，造成定子磁链出现直流成分，如果发生的是不对称故障，还会出现负序分量。这样相对于高速旋转的电机转子会产生较大的转差，转差增大，转子电势也会增大，从而形成较大的转子电流。

2.双馈异步式风力发电机的暂态现象

双馈异步式风力发电机的定子也是和电网相接相连，因此电网电压的降落造成的系统响应和定速异步机相同。但双馈异步式风力发电机转子侧接有AC/DC/ AC变流器，较大的转子暂态电流会影响电力电子器件的使用寿命或损坏，如在电压跌落时通过控制策略，限制电流增大，就会引起变流器电压升高，过高的电压同样会损坏变流器，而且进出变流器的功率不平衡会导致直流母线电压上升。尤其是电网发生不对称故障时，电机会出现较大的电磁转矩波动，从而冲击风机齿轮箱等机械部件，风机的运行和寿命将受到严重影响。

3.同步直驱式风力发电机的暂态现象

对于同步直驱式风力发电机，定子和电网没有直接相连，是经过背靠背双PWM 变流器与电网连接。电网电压瞬时跌落引起输出到电网的功率减小，而发电机的输出功率瞬时保持。这样会出现输入输出功率不平衡，于是直流母线电压立即上升，直流侧电压升高会威胁到变流器的安全。如采取控制策略保持直流母线电压不变，又会增大输出到电网的电流，过大的电流也会损坏变流器。

三、低电压穿越的实现方法

1.定速异步发电机的低电压穿越实现

在电压跌落期间，定速异步发电机主要是因为电磁转矩减小，导致转速的增大。由于定速异步机结构简单，能用到的方法很少，最直接的方法是变桨控制，即在可靠检测出故障后，采用快速变桨控制来减小输入的机械转矩，从而保持转速不变。由于风机桨叶惯性大，该方法对风机的变桨性能有很高的要求，且变桨控制无法给电网提供无功，支持电网恢复。对于鼠笼式异步电机在运行时还需吸收无功，因此通常按最大功率输出安装电容器组来减少无功的吸收，但由于风力发电能量波动大，该方法会引起系统电压波动，发电机械磨损，在故障时还会使临近母线出现过电压。因此，可以采用如下两种方法：一是通过安装一个静态无功补偿器，来对各种功率等级无功进行实时补偿。该方法能使稳态运行时的波形得到改善，穿越故障的能力得到一定提高；二是通过采用静态同步补偿器来调节电压，该方法也能使定速异步发电机低电压穿越能力得到提高，而且该方法的补偿电流不会随着电压的下降而下降。但是此方法成本比较高，因此一直不能在工程中得到应用。总之，定速异步发电机在电压跌落时面临的问题不是很严重，可以通过变桨和其他措施实现低电压穿越实现。

2.双馈异步式风力发电机的低电压穿越实现

对于双馈异步式风力发电机来说，目前实现低电压穿越一般有三种方法：一种是采用转子短路保护技术，二种是采用合理的控制策略，三是引入新型拓扑结构。通常根据不同严重程度的电网故障采取不同的应对措施。当电网电压跌落幅度比较小时，可通过控制策略的改进使双馈异步式风机穿越低电压；当电网电压跌落幅度很大时，可通过增加硬件电路来实现低电压穿越。

（1）针对转子侧变流器实现低电压穿越方法。

１）利用Crowbar保护电路。

这是当前使用最广泛的一种方法，其通过给发电机转子装设一个能够提供旁路保护的电路，即crowbar电路，来提高低电压穿越能力。当判断出电网系统出现电压跌落时，使双馈异步式风力发电机的励磁变流器闭锁，同时转子侧的旁路保护装置马上投入工作，这样会使励磁变流器的电流和转子绕组的电压都能得到限制，从而保障发电机不脱网运行。目前实用化的crowbar电路主要有如下2种：

Ａ、永久式crowbar电路，这种方式只具有防止变流器过电流损坏的功能，并不能在电网电压跌落期间有效地对发电机转速进行控制。

Ｂ、暂态式crowbar电路，这种方式能够在故障发生期间稳定发电机转子转速，从而保证发电机在电网电压故障期间能够保持并网运行，为风力发电机在故障期间向电网输送无功功率提供保障。

２）改进双馈异步式风力发电机的励磁控制策略。

通过对双馈异步式风力发电机电网电压跌落时的暂态分析，可以采用新的控制策略限制由定子电流基波分量引起的转子电流交流分量，同时通过发电机定子电阻对定子磁链中的暂态直流分量进行灭磁，从而提高双馈异步式风机的低电压穿越能力。

（2）针对网侧变流器实现低电压穿越方法。

1）加装能量存储装置。在电网电压跌落时利用能量存储系统限制直流母线过电压。这种方法不会存在由于控制方式的切换造成暂态过程复杂，而且能对系统进行持续控制。但此方法不足之处是无法有效地控制转子电流。

2）增大直流侧电容容量。双馈异步式风力发电机背靠背双PWM变流器中间接的是直流电容作为储能，因此限制电压跌落时母线电压波动，最简单的方法是增大电容容量。但容量增大，电容体积也会增大，电容价格升高，且采用大容量的直流电容系统动态响应变慢。

（3）引入新型拓扑结构实现低电压穿越。

通过发电机定子端的串联变压器使变流器与电网相串联，则网侧电压与变流器输出的电压之和为双馈异步式风力发电机定子端的电压。于是可以通过改变变流器的电压来改变定子磁链，能很好地消除电网电压跌落引起的定子磁链振荡，从而限制转子电流的增大，使电网跌落对系统的影响减小。综上所述，双馈异步式风力发电机采用改进励磁控制策略或增加硬件电路，都可以提高其低电压穿越能力。

3.同步直驱式风力发电机的低电压穿越实现