风力发电低电压穿越技术

风力发电低电压穿越技术
发表时间：2019-09-11T09:26:18.627Z 来源：《中国电业》2019年第10期作者：孟立强
[导读] 从分析风机电压跌落暂态现象种类出发，结合电压跌落对风电系统的影响，提出低电压穿越的几种方案。

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摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，风电网络的容量占比也随之加大，电力系统安全性面临着严峻的考验，而低电压穿越技术则是实现风电并网的重要因素，当电网出现故障引起电压跌落时，低电压穿越技术能够阻止风力发电机出现脱网运行情况，同时，为电网供给无功功率，使电网快速恢复正常运行状态，安全地度过低电压的时间。

本文从分析风机电压跌落暂态现象种类出发，结合电压跌落对风电系统的影响，提出低电压穿越的几种方案。

关键词：风力发电；电压跌落；低电压穿越
引言
随着能源日益枯竭，环境不断恶化，风能作为一种高效清洁无污染的新能源逐渐引起人们的重视，已成为致力于可再生能源利用国家面对能源危机的共同选择，经过近年的飞速发展，已成为我国三大能源之一，风力发电技术也随之得到迅猛发展。

我国幅员辽阔，陆疆总长2万多公里，海岸线1.8万多公里，是一个风力资源丰富的国家。

近年来，我国的风电产业发展迅速，截至2013年底我国风电新增装机容量16088.7MW，同比增长24.1%；累计装机容量91412.89MW，同比增长21.4%，新增装机和累计装机两项数据均居世界前列。

大规模风电场并网将会对原有电网的功率传输方向、电网电压、频率、系统稳定性、谐波污染、线路损耗和保护装置等产生不利影响，提高风电穿透功率、开展风功率预测、研究低电压穿越和动态无功补偿等技术将会对解决上述问题产生积极作用。

基于风能随机性和波动性的特点，加之风电装机容量占电网总容量比例较大时会对电网安全运行产生不利影响，合理协调分配风电场与原有电源之间的出力关系，减小风电场并网对输电网的冲击，使其能向常规电源发展将是构建统一坚强智能电网和分布式电源发电的重要组成部分。

本文详细综述了现阶段风电技术发展所面临的难点和研究的热点，并展望了风力发电技术的发展前景及风力发电趋势。

1变速恒频发电系统概述
近年来，社会进步和人类生活水平的提高造成能源消耗不断加剧，能源危机已经成为阻碍人类社会发展的头等问题。

风能作为一种清洁的可再生能源储量丰富。

因此合理开发利用风力资源，既可以解决能源短缺，又可以优化能源结构。

目前各个国家政府开始重视和支持风电产业的发展，风力发电各项技术也逐步趋于成熟，迎来了发展的新机遇。

在最新的“十三五”规划中，国家将建设西部风电大基地，要求风电产业发展“稳中求进”。

截至２０１５年，全国及全球累计并网风电装机容量分别达到１４５ＧＷ和４３２ＧＷ。

目前主流的风电系统为变速恒频发电系统，分为双馈式风力发电系统和直驱式风力发电系统两类。

变速恒频系统是一种新型风电系统，起步于上世纪７０年代，通过变流器控制电机转矩实现变速，大幅提升风能利用率。

但目前该系统的低电压穿越能力不足已成为风电机组大规模脱网的最主要原因之一，因此本文将对此系统的低电压穿越特性做重点研究。

2电压跌落对风电系统的影响
2.1FSIG的暂态过程
FSIG定子侧和电网直接连接，其特点是转速不能控制并且无功需要吸收，电网电压如果出现跌落，会直接使异步电机转子出现转速的变化，导致转速在暂态过程中出现飞升的问题，使电机出现严重地损坏，大量无功在电网中被异步电机吸收，这些因素都在电网的复原中形成阻碍。

2.2DFIG的暂态过程分析
DFIG定子侧与电网直接连接，电网电压跌落会引起双馈电机定子和转子磁链的变化，由于磁链守恒不能突变，定子和转子绕组中会出现暂态直流分量，不对称故障时还会有负序分量，由暂态电流产生的磁链来抵消定子电压跌落产生的磁链变化。

因感应电机的转子高速旋转，直流暂态分量将会导致定转子电路中感应电压和电流的升高，严重时会超过电力电子器件和电机的安全限定值，造成设备的损坏；同时暂态过程会造成DFIG电磁转矩的波动，这将给齿轮箱造成机械冲击，影响风电系统的寿命。

2.3对电网调度的影响
风能的不可控性使其很难像传统能源一样具有良好的可调性和预测性，风电接入电网后，使得系统的备用容量增大。

因常规火电机组的投运需要长达几小时，若系统的备用容量不足，则会限制风电场的接入。

风电并网常常会出现“削谷填峰”的现象，即在高峰负荷期风能很少，而在低谷负荷期风能发电量却很大。

这使得电网调度工作具有一定的难度，通常采用储能技术将低谷负荷期的电能存储起来，在高峰期时馈入电网，达到“削峰填谷”的效果。

3风力发电低电压穿越技术实现方案
3.1定速异步发电机中实现低电压穿越
定速异步发电机在电压跌落过程中，会出现电磁转速增加，根本原因是由于电磁转动距离缩短，由于定速异步发电机的内部构造简单，变桨控制是针对它最好的办法，这种办法的原理是当检查出故障后，通过及时变桨来缩短电磁转矩，使转速达到稳定水平。

定速异步发电机的风机桨叶产生的惯性很大，变桨控制方法要想发挥最好水平，在风机的变桨能力方面要求很高，电网的无功也无法通过变桨控制来实现，给电网的恢复提供支持。

3.2基于变流器控制
电网稳定时，控制变流器以获得系统最佳工作性能；当电网故障时，则需保持风电系统安全渡过暂态区域，并向电网注入一定量的无功。

为提升风电系统的低电压穿越能力，需考虑过压过流对设备的损害问题，一般从2方面考虑：1）增大器件的容量和提高器件的器件耐压性能；2）改进控制策略。

为增大变流器容量，提高耐压性能，采取的措施包括串并联功率器件，引入矩阵变换器或多电平变流技术，为大功率变流器在风电系统中的应用奠定基础，也使得系统具备一定的低电压穿越能力，但是提升程度有限。

针对电网电压跌落中出现的问题，在稳态控制的基础上，采取改进的变流器控制策略，提升系统的暂态适应能力从而实现低电压穿越。

因并网结构不同采取的控制方式各异，下面结合DFIG和PMSG系统分别对不同控制方法进行分析。

3.3低电压穿越
低电压穿越(Lowvoltageridethrough，LVRT)在一定范围内上可归纳为：应用电力电子技术解决电网发生故障时，保持风电场在一定时间
内不脱网运行，并向电网提供一定的无功功率支持“穿越”这段低电压时间的能力。

当电网电压降低时，风电机组通常处于被动式自我保护而从电网中解列，当风电在电网中所占比例不大时是可以接受的。

然而，随着风电装机容量的不断增大，若电网故障时仍采取被动式解列运行，则在电网的故障上又加了一个扰动源，严重威胁电网安全运行，甚至导致系统解列。

因此，各国分别出台了不同的低电压运行标准。

我国规定当电网发生故障时，并网点的电压跌至额定电压的20%，风电机组应能保证不脱网运行625ms等。

目前的解决方案是改进变流器的控制策略、增加Crowbar电路或储能装置。

但面对电网中的各种故障，多数方案并不满足低电压穿越的要求，这已成为制约大规模风电并网的瓶颈，对于低电压穿越技术的研究仍将是一个热点话题。

结语
随着以双馈感应发电机为主体的大型风力发电机组装机容量的不断增加，提高并网风力发电能力显得尤为重要。

电力系统将对并网风电机组在电网电压降的情况下提出更高的要求，风力发电系统必须具备低压穿越能力，因此提高低压穿越能力将是未来研究的热点。

虽然双馈感应发电机在世界上仍然是主流的发电方式，但近年来，直接驱动永磁同步发电机由于其结构更加简单、低电压穿越性能更好，在市场上的份额逐年增加。

参考文献
[1]王伟,孙明,朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化,2016,31(23):84-89.
[2]李建林,胡书举,孔德国,等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化,2008(19):92-95.。