几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案
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全功率变流器把发电机发出的幅值和频率变化的 电能转化成幅值和频率恒定的电能,在物理上对风力 发电机和电网进行了隔离( 见图 5) .
图 4 设备运行实验录波
3. 2 双馈变桨距变速机型方案 现在市场上有多种针对双馈变桨距变速机型的解
决方案,其核心都是考虑转子过流对电力电子元件的
图 5 永磁直驱全功率变流器机型方案
第 7 卷第 3 期 2 011 年7 月
沈阳工程学院学报( 自然科学版) Journal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science)
Vol. 7 No. 3 Jul. 2011
几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案
韩天雪
( 中国电力投资集团公司东北新能源发展有限公司,沈阳 110181)
1 风力发电机的类型
目前市场上有 2 类主要风力发电机类型,一类是变 桨距变速型风力发电机,又分为双馈异步风力发电机和 永磁直驱全功率变流器风力发电机 2 种; 另一类为定桨 距失速型风力发电机. 风力发电机结构如图 1 所示.
收稿日期: 2011 - 05 - 04 作者简介: 韩天雪( 1968 - ) ,男,黑龙江宁安人,工程师.
但这种解决方案依然不能满足国网公司对机组的 要求,即电压跌落到额定的 20% 的时候,需要保持并 网 625 ms. 此时,配置全功率变流器则是一种很好的 解决办法( 见图 3) .
图 3 定速型风力发电机的全功率变流器方案
从图 3 中可以看出,此方案是在风力发电机出口 和箱变之间串入 1 台低电压穿越设备,设备内部由 1 套反并联晶闸管与 1 套背靠背全功率变流器并联组 成,为 1 机 1 补偿方案.
从拓扑结构上看,风力发电机的发电机通过变流 器连接电网,而不是直连的方式,这样电机与电网不直
接耦合,因此在系统发生短路故障时,风力发电机的短 路特性由变流器决定,而与发电机特性无关.
电网发生低电压时,可将变流器分成电机侧和网 侧 2 部分分析,而 2 部分通过中间的直流电容环节连 接. 当电网发生故障时,变流器首先检测到并网点的电 压降,机组进入低电压穿越控制. 变流器在发电机侧, 控制发电机正常发电,发电机出口的交流能量被转换 成直流能量,存储在中间直流电容上; 同时在网侧,变 流器控制网侧电流,使风力发电机短路电流不 大 于 1 600 A. 因为短路电流恒定,网侧电压低,使前端发电 机的能量不能正常输送到电网上,这样就导致中间的
3 几种风力发电机的并网方案及比较
比较几种风力发电机的结构,从稳态、暂态特性上 可以看出: ①稳态特性,由于桨距可变,变速风电机组 好于恒速风电机组; ②暂态特性,由于没有变流器等电 力电子元件,恒速风电机组好于变速风电机组. 对于电 网低电压工况,恒速风电机组面对的主要是机端电压 难以建立的问题,而变速风电机组面对的主要是电力 电子元件过流问题. 一般而言,IGBT ( 大功 率 整 流 模 块) 的过流能力只是额定电流的 2 倍,实际运行的时 候,允许的过电流一般只有额定电流的 1. 2 倍[3]. 因 此,在解决风力发电机低压穿越问题时,必须考虑以上 特性. 3. 1 金风 750 机组的解决方案
图 1 各种风力发电机结构
从图中可以看出,这 3 类风力发电机的主要特点. 1) 定桨距失速型. 定子、转子直接与电网连接,机 组的过流能力取决于发电机绕组和导线的耐受能力. 2) 双馈异步型. 定子直接与电网连接,转子通过 变流器与电网连接; 定子的过流能力取决于发电机绕 组和导线的耐受能力,转子的过流能力取决于变流器 的耐受能力. 3) 永磁直驱同步型,定子通过全功率变流器与电 网连接,转子系统为永磁体,不受电气量影响,发电机 的过流能力取决于变流器的耐受能力[1].
摘 要: 由于风力发电机相对于传统大容量发电机更容易失去稳定运行状态,因此风力发电机并网问题变得非常突出. 低电压
穿越功能作为风力发电机并网的难点之一,国家能源局对此制定了相应的规范. 结合中电投东北新能源发展有限公司已投产的
北票项目,对 3 类常见的风力发电机组的低电压穿越方案进行了分析,并通过试验验证了方案的合理性和可行性.
总的来说,对于金风 750 机组,是通过加装外部无 功补偿装置的方式,将机端出口电压提升至 0. 8 pu,来 实现低电压穿越过程的. 对于单台 750 机组配置的无 功容量,配置 700 kVar 可实现 0. 6 pu 电压跌落的穿 越,如果配置再大容量的无功容量,将保护定值降低到 0. 8 pu 以下,对单机配置的方式,造价与集中无功补 偿的方案经济性接近[4].
bar 回路旁路转子变频器,Crow-bar 动作期间,发电机 成为普通的异步机. Crow-bar 短接时间很短,60 ~ 80 ms. Crow-bar 的电阻可以阻尼转子磁链,当转子磁链衰 减后就可退出,此时稳态短路电流不是很大. Crow-bar 退出后,变频器重新同步,控制能力恢复.
2) Fast Reconnection 解决方案. Nordex 的双馈变 速风电机组采用此方案. 在风力发电机进入到低压穿 越状态后,100 ms 内切除风电机组,Crow-bar 也动作. 100 ms 后,风电机组再次并网,同时 Crow-bar 退出,风 电机组重新运行. 这种方式也采用 Crow-bar 保护,但 是 Crow-bar 可以做得较小.
关键词: 低电压穿越; 定速型风机; 双馈型风机; 永磁直驱型风机; 变流器
中图分类号: TM614
文献标识码: A
文章编号: 1673 - 1603( 2011) 03 - 0199 - 04
风力发电机( 简称风力机) 从商业化运行以来,经历 过“丹麦风力发电机”、“德国风力发电机”等几个阶段,在 现阶段运行的风力发电机型号多,表现各异,要分析风力 发电机的低电压穿越能力,必须对风机的类型有所了解.
· 202 ·
沈阳工程学院学报( 自然科学版)
第7 卷
Hale Waihona Puke Baidu
直流电容不断被充电,而不能正常放电,直流电压被抬 高,当直流电压达到一定值时,直流电容上的放电电阻 被触发发电,能量通过制动电阻被泄放,直到直流电压 恢复正常为止. 在电网低电压过程中,该类型风力发电 机的变流器属核心部分,一方面控制电机正常发电,一 方面控制网侧短路电流恒定,并控制多余的能量通过 放电电阻泄放,以保护中间的直流电容,这种控制将持 续整个低电压暂态过程,直到系统电压恢复正常. 如果 低电压持续时间超过其标准的保护时间,风力发电机 将做退网保护[5].
为实 现 该 方 案 在 风 电 厂 中 的 实 际 应 用,公 司 于 2010 年 8 月组织相关人员对中电投东北新能源发展 有限公司北票北塔子风电厂金风 1 500 kW 变桨直驱 型风电机组进行了低电压穿越功能改造,并于 2010 年 10 月组织东北电科院、风力发电机厂家技术人员携带 有关试验仪器,对部分风力发电机的低电压穿越功能 及保护动作时间、起动电压进行了测试,发现改造后的 风力发电机完全满足国家电网公司的技术要求. 参考文献
恒速风电机组主要是解决机端电压难以建立的问 题,对电压的补偿,可以考虑采用 STATCOM ( 静止同 步补偿器) . STATCOM 是基于电压源变换器原理、采 用 IGBT 的有源型无功补偿装置,属于动态的无功补 偿装置,具有响应速度快和平滑调节的特性,设备的无 功电流受系统电压影响很小.
按 STATCOM 的安装位置,可以考虑中压侧集中 配置,也可以按 1 机 1 补偿的方式,如图 2 所示.
反并联晶闸管用于控制风力发电机进入或退出低 电压穿越状态. 低电压穿越装置检测到系统电压低于 90% 后,立刻进入低电压穿越状态,20 ms 内反并联晶 闸管退出运行,同时变流器串联进主回路开始工作,实 现了异步电机与电网之间的隔离,并在电机侧变流器 产生690 V、50 Hz 的工频电压,以保证异步发电机能 够正常发电; 同时在网侧,变流器会根据电压跌落情况 向电网提供无功电流支撑. 因为网侧电压低,会导致发 电机的电能不能完全送入电网,使变流器的直流电压
3) Chopper Resistance 解决方案. VESTAS 机组采 用此种方案. 该方案采用大容量二极管与标准 IGBT 并联. 故障过程中,IGBT 闭锁,二极管导通,短路引起 的冲击电流经二极管流过,用二极管导通大的暂态过 电流以保护 IGBT. 同时,导致 DC-Link 的电容电压升 高,故采用 chopper resistance 消耗电容的充电功率. 3. 3 永磁直驱全功率变流器机型的方案
· 200 ·
沈阳工程学院学报( 自然科学版)
第7 卷
力就可以持续运行. 相对于传统发电机,风力发电机在低电压穿越时
要考虑以下因素: ①机端电压支撑能力. ②机械、电气 功率的不平衡会影响机组稳定运行. ③暂态过程导致 发电机中出现过流,可能损坏器件. ④附加的转矩、应 力可能损坏机械部分. ⑤高风速期间,输电网故障引起 的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化,甚至可 能引起大面积的停电,进而带来频率的稳定问题[2].
2 风力发电机低电压穿越的意义
为什么 风 力 发 电 机 会 存 在 所 谓“低 电 压 穿 越 问 题”,应先看 一 下 电 网 电 压 突 然 降 低 对 发 电 机 带 来 什 么样的影响. 电网故障时,发电机机端电压突然降低, 会造成发电机绕组磁通的变化,在定子和转子侧都形 成过流. 在传统机组中,励磁系统可以通过强励方式把 电压支撑在 1 pu,可以支持短路点的短路电流,只要磁 通突变的时候,产生的过流不超过转子、定子的耐受能
图 2 1 机 1 补偿的方案
通 过 对 50 MW 容 量 风 电 场 的 仿 真 计 算,采 用 30 MVar全动态无功补偿装置,风电场场内电压等级选 择为 10 kV 系统,将金风 S750 机组的短时低电压保护 定值设为 0. 8 pu、3 s 的时间延迟,则风电场可以承受 60% 以上的系统低电压故障. 对于系统跌至 0. 6 pu 的
第3 期
韩天雪: 几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案
· 201 ·
被抬高,当直流电压达到上限时,放电电阻起动,能量 将通过直流放电电阻被泄放掉.
配置全功率变流器是目前比较成熟的并网方案, 优点是风力发电机和电网能解耦运行,并网性能好; 缺 点是价格较高. 设备的实验录波见图 4.
影响. 下面介绍常用的 3 种方案. 1) Crow-bar resistance 解决方案. 设置 1 条 crow-
全功率变流器能带给风力发电机优秀的并网能 力,金风公司从 2005 年开始就致力于低压穿越的研 究,其成果于 2009 年通过了德国 Windtest 的低电压穿 越检测,并正在国内与电科院一起进行挂网检测. 第一
阶段小功率低电压穿越已全部完成,目前正在准备进 入第二阶段大功率低电压穿越实验阶段.
4 低电压穿越功能方案的应用
电压故障,风电场可以保持并网运行,但对于系统 0. 6 pu 以下的故障,风电场不能穿越故障.
另外,也可以考虑将 STATCOM 安装在风力发电 机出口侧的方案,即 1 机 1 补偿的方式. STATCOM 安 装靠近机端后,假设风力发电机箱变的短路阻 抗 为 6% ,而风电场主变的阻抗为 13. 5% ,故障点到风电场的 阻抗等效为主变阻抗的 6% ,那么将 STATCOM 安装在 机端电压恢复效果会更好,理论上有 24. 4% 的提升效 果. 这种方案可采用单台 750 机组配置 700 kVar 左右的 STATCOM.
通过以上描述可以看出,在整个低电压穿越过程 中,全过程都是可控的,而且变流器控制的电磁转矩故 障前后没有变化,风力发电机感受不到故障,不会产生 振动和飞车等事故,电网侧能持续发出无功电流,支持 电网电压跌落. 3 种双馈变流器的方案,都有 80 ~ 100 ms 的短暂失去控制阶段,并会影响到风力发电机机械 转矩和电磁转矩的平衡,也会造成振动,给齿轮箱、叶 片、风力发电机基础等带来冲击,而且在这 80 ~ 100 ms 内,也不能给电网带来有效的无功支撑.
图 4 设备运行实验录波
3. 2 双馈变桨距变速机型方案 现在市场上有多种针对双馈变桨距变速机型的解
决方案,其核心都是考虑转子过流对电力电子元件的
图 5 永磁直驱全功率变流器机型方案
第 7 卷第 3 期 2 011 年7 月
沈阳工程学院学报( 自然科学版) Journal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science)
Vol. 7 No. 3 Jul. 2011
几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案
韩天雪
( 中国电力投资集团公司东北新能源发展有限公司,沈阳 110181)
1 风力发电机的类型
目前市场上有 2 类主要风力发电机类型,一类是变 桨距变速型风力发电机,又分为双馈异步风力发电机和 永磁直驱全功率变流器风力发电机 2 种; 另一类为定桨 距失速型风力发电机. 风力发电机结构如图 1 所示.
收稿日期: 2011 - 05 - 04 作者简介: 韩天雪( 1968 - ) ,男,黑龙江宁安人,工程师.
但这种解决方案依然不能满足国网公司对机组的 要求,即电压跌落到额定的 20% 的时候,需要保持并 网 625 ms. 此时,配置全功率变流器则是一种很好的 解决办法( 见图 3) .
图 3 定速型风力发电机的全功率变流器方案
从图 3 中可以看出,此方案是在风力发电机出口 和箱变之间串入 1 台低电压穿越设备,设备内部由 1 套反并联晶闸管与 1 套背靠背全功率变流器并联组 成,为 1 机 1 补偿方案.
从拓扑结构上看,风力发电机的发电机通过变流 器连接电网,而不是直连的方式,这样电机与电网不直
接耦合,因此在系统发生短路故障时,风力发电机的短 路特性由变流器决定,而与发电机特性无关.
电网发生低电压时,可将变流器分成电机侧和网 侧 2 部分分析,而 2 部分通过中间的直流电容环节连 接. 当电网发生故障时,变流器首先检测到并网点的电 压降,机组进入低电压穿越控制. 变流器在发电机侧, 控制发电机正常发电,发电机出口的交流能量被转换 成直流能量,存储在中间直流电容上; 同时在网侧,变 流器控制网侧电流,使风力发电机短路电流不 大 于 1 600 A. 因为短路电流恒定,网侧电压低,使前端发电 机的能量不能正常输送到电网上,这样就导致中间的
3 几种风力发电机的并网方案及比较
比较几种风力发电机的结构,从稳态、暂态特性上 可以看出: ①稳态特性,由于桨距可变,变速风电机组 好于恒速风电机组; ②暂态特性,由于没有变流器等电 力电子元件,恒速风电机组好于变速风电机组. 对于电 网低电压工况,恒速风电机组面对的主要是机端电压 难以建立的问题,而变速风电机组面对的主要是电力 电子元件过流问题. 一般而言,IGBT ( 大功 率 整 流 模 块) 的过流能力只是额定电流的 2 倍,实际运行的时 候,允许的过电流一般只有额定电流的 1. 2 倍[3]. 因 此,在解决风力发电机低压穿越问题时,必须考虑以上 特性. 3. 1 金风 750 机组的解决方案
图 1 各种风力发电机结构
从图中可以看出,这 3 类风力发电机的主要特点. 1) 定桨距失速型. 定子、转子直接与电网连接,机 组的过流能力取决于发电机绕组和导线的耐受能力. 2) 双馈异步型. 定子直接与电网连接,转子通过 变流器与电网连接; 定子的过流能力取决于发电机绕 组和导线的耐受能力,转子的过流能力取决于变流器 的耐受能力. 3) 永磁直驱同步型,定子通过全功率变流器与电 网连接,转子系统为永磁体,不受电气量影响,发电机 的过流能力取决于变流器的耐受能力[1].
摘 要: 由于风力发电机相对于传统大容量发电机更容易失去稳定运行状态,因此风力发电机并网问题变得非常突出. 低电压
穿越功能作为风力发电机并网的难点之一,国家能源局对此制定了相应的规范. 结合中电投东北新能源发展有限公司已投产的
北票项目,对 3 类常见的风力发电机组的低电压穿越方案进行了分析,并通过试验验证了方案的合理性和可行性.
总的来说,对于金风 750 机组,是通过加装外部无 功补偿装置的方式,将机端出口电压提升至 0. 8 pu,来 实现低电压穿越过程的. 对于单台 750 机组配置的无 功容量,配置 700 kVar 可实现 0. 6 pu 电压跌落的穿 越,如果配置再大容量的无功容量,将保护定值降低到 0. 8 pu 以下,对单机配置的方式,造价与集中无功补 偿的方案经济性接近[4].
bar 回路旁路转子变频器,Crow-bar 动作期间,发电机 成为普通的异步机. Crow-bar 短接时间很短,60 ~ 80 ms. Crow-bar 的电阻可以阻尼转子磁链,当转子磁链衰 减后就可退出,此时稳态短路电流不是很大. Crow-bar 退出后,变频器重新同步,控制能力恢复.
2) Fast Reconnection 解决方案. Nordex 的双馈变 速风电机组采用此方案. 在风力发电机进入到低压穿 越状态后,100 ms 内切除风电机组,Crow-bar 也动作. 100 ms 后,风电机组再次并网,同时 Crow-bar 退出,风 电机组重新运行. 这种方式也采用 Crow-bar 保护,但 是 Crow-bar 可以做得较小.
关键词: 低电压穿越; 定速型风机; 双馈型风机; 永磁直驱型风机; 变流器
中图分类号: TM614
文献标识码: A
文章编号: 1673 - 1603( 2011) 03 - 0199 - 04
风力发电机( 简称风力机) 从商业化运行以来,经历 过“丹麦风力发电机”、“德国风力发电机”等几个阶段,在 现阶段运行的风力发电机型号多,表现各异,要分析风力 发电机的低电压穿越能力,必须对风机的类型有所了解.
· 202 ·
沈阳工程学院学报( 自然科学版)
第7 卷
Hale Waihona Puke Baidu
直流电容不断被充电,而不能正常放电,直流电压被抬 高,当直流电压达到一定值时,直流电容上的放电电阻 被触发发电,能量通过制动电阻被泄放,直到直流电压 恢复正常为止. 在电网低电压过程中,该类型风力发电 机的变流器属核心部分,一方面控制电机正常发电,一 方面控制网侧短路电流恒定,并控制多余的能量通过 放电电阻泄放,以保护中间的直流电容,这种控制将持 续整个低电压暂态过程,直到系统电压恢复正常. 如果 低电压持续时间超过其标准的保护时间,风力发电机 将做退网保护[5].
为实 现 该 方 案 在 风 电 厂 中 的 实 际 应 用,公 司 于 2010 年 8 月组织相关人员对中电投东北新能源发展 有限公司北票北塔子风电厂金风 1 500 kW 变桨直驱 型风电机组进行了低电压穿越功能改造,并于 2010 年 10 月组织东北电科院、风力发电机厂家技术人员携带 有关试验仪器,对部分风力发电机的低电压穿越功能 及保护动作时间、起动电压进行了测试,发现改造后的 风力发电机完全满足国家电网公司的技术要求. 参考文献
恒速风电机组主要是解决机端电压难以建立的问 题,对电压的补偿,可以考虑采用 STATCOM ( 静止同 步补偿器) . STATCOM 是基于电压源变换器原理、采 用 IGBT 的有源型无功补偿装置,属于动态的无功补 偿装置,具有响应速度快和平滑调节的特性,设备的无 功电流受系统电压影响很小.
按 STATCOM 的安装位置,可以考虑中压侧集中 配置,也可以按 1 机 1 补偿的方式,如图 2 所示.
反并联晶闸管用于控制风力发电机进入或退出低 电压穿越状态. 低电压穿越装置检测到系统电压低于 90% 后,立刻进入低电压穿越状态,20 ms 内反并联晶 闸管退出运行,同时变流器串联进主回路开始工作,实 现了异步电机与电网之间的隔离,并在电机侧变流器 产生690 V、50 Hz 的工频电压,以保证异步发电机能 够正常发电; 同时在网侧,变流器会根据电压跌落情况 向电网提供无功电流支撑. 因为网侧电压低,会导致发 电机的电能不能完全送入电网,使变流器的直流电压
3) Chopper Resistance 解决方案. VESTAS 机组采 用此种方案. 该方案采用大容量二极管与标准 IGBT 并联. 故障过程中,IGBT 闭锁,二极管导通,短路引起 的冲击电流经二极管流过,用二极管导通大的暂态过 电流以保护 IGBT. 同时,导致 DC-Link 的电容电压升 高,故采用 chopper resistance 消耗电容的充电功率. 3. 3 永磁直驱全功率变流器机型的方案
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沈阳工程学院学报( 自然科学版)
第7 卷
力就可以持续运行. 相对于传统发电机,风力发电机在低电压穿越时
要考虑以下因素: ①机端电压支撑能力. ②机械、电气 功率的不平衡会影响机组稳定运行. ③暂态过程导致 发电机中出现过流,可能损坏器件. ④附加的转矩、应 力可能损坏机械部分. ⑤高风速期间,输电网故障引起 的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化,甚至可 能引起大面积的停电,进而带来频率的稳定问题[2].
2 风力发电机低电压穿越的意义
为什么 风 力 发 电 机 会 存 在 所 谓“低 电 压 穿 越 问 题”,应先看 一 下 电 网 电 压 突 然 降 低 对 发 电 机 带 来 什 么样的影响. 电网故障时,发电机机端电压突然降低, 会造成发电机绕组磁通的变化,在定子和转子侧都形 成过流. 在传统机组中,励磁系统可以通过强励方式把 电压支撑在 1 pu,可以支持短路点的短路电流,只要磁 通突变的时候,产生的过流不超过转子、定子的耐受能
图 2 1 机 1 补偿的方案
通 过 对 50 MW 容 量 风 电 场 的 仿 真 计 算,采 用 30 MVar全动态无功补偿装置,风电场场内电压等级选 择为 10 kV 系统,将金风 S750 机组的短时低电压保护 定值设为 0. 8 pu、3 s 的时间延迟,则风电场可以承受 60% 以上的系统低电压故障. 对于系统跌至 0. 6 pu 的
第3 期
韩天雪: 几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案
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被抬高,当直流电压达到上限时,放电电阻起动,能量 将通过直流放电电阻被泄放掉.
配置全功率变流器是目前比较成熟的并网方案, 优点是风力发电机和电网能解耦运行,并网性能好; 缺 点是价格较高. 设备的实验录波见图 4.
影响. 下面介绍常用的 3 种方案. 1) Crow-bar resistance 解决方案. 设置 1 条 crow-
全功率变流器能带给风力发电机优秀的并网能 力,金风公司从 2005 年开始就致力于低压穿越的研 究,其成果于 2009 年通过了德国 Windtest 的低电压穿 越检测,并正在国内与电科院一起进行挂网检测. 第一
阶段小功率低电压穿越已全部完成,目前正在准备进 入第二阶段大功率低电压穿越实验阶段.
4 低电压穿越功能方案的应用
电压故障,风电场可以保持并网运行,但对于系统 0. 6 pu 以下的故障,风电场不能穿越故障.
另外,也可以考虑将 STATCOM 安装在风力发电 机出口侧的方案,即 1 机 1 补偿的方式. STATCOM 安 装靠近机端后,假设风力发电机箱变的短路阻 抗 为 6% ,而风电场主变的阻抗为 13. 5% ,故障点到风电场的 阻抗等效为主变阻抗的 6% ,那么将 STATCOM 安装在 机端电压恢复效果会更好,理论上有 24. 4% 的提升效 果. 这种方案可采用单台 750 机组配置 700 kVar 左右的 STATCOM.
通过以上描述可以看出,在整个低电压穿越过程 中,全过程都是可控的,而且变流器控制的电磁转矩故 障前后没有变化,风力发电机感受不到故障,不会产生 振动和飞车等事故,电网侧能持续发出无功电流,支持 电网电压跌落. 3 种双馈变流器的方案,都有 80 ~ 100 ms 的短暂失去控制阶段,并会影响到风力发电机机械 转矩和电磁转矩的平衡,也会造成振动,给齿轮箱、叶 片、风力发电机基础等带来冲击,而且在这 80 ~ 100 ms 内,也不能给电网带来有效的无功支撑.