风力发电低电压穿越技术分析

风力发电低电压穿越技术分析

姜世浩

华电山东乳山新能源有限公司264500

【摘要】随着现代科学技术的不断发展，风力发电行业的发展也越来越快速，风力风电机的建设，也坐落于国家的大部分区域中。低电压穿越技术是指，风力电网出现故障，或被干扰时，风力发电机能够在网运行，并仍能够提供与电网无功功率，从而帮助电网恢复正常的过程，而这个过程中，电网需要“穿越”这个低压时间，即低压穿越技术。通过该技术的实施，可以一定程度上，保障电网的安全，保障电网运输电力安全。

【关键词】风力发电；低压穿越技术；电网

随着我国经济的不断发展，风力发电技术也日趋完善。风力发电机建设的规模也越来越大。通过风力发电技术的完善，及风机的广泛建设，不仅促进了我国风力发电行业的快速发展，也使相关区域的电力资源更为充沛。低压穿越技术，是风力机组电网中，常见的电力维稳技术，通过该技术的应用，也使风力发电运行，更为稳定。随着我国将加大对风力发电行业的投入，进行风电机组的低压穿越技术研究，也十分必要。本文对风力发电低电压穿越技术进行分析，希望为相关部门提供参考。

1.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。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。

2.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，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。

2.1双馈异步式风力发电机的暂态现

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。

2.2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。

3.低压穿越技术实现的原理

3.1定速异步发电机的应用

风力发电机组在运行过程中，有可能出现电压迅速低落的现象，而此时低压穿越技术就会被启用。机组电压较低时，定速异步电机，往往由于转矩小，而存在转速高特点。另外，定速异步电机，也由于具有体积小，及结构简单的特点，一般较难以被利用及控制，因此，一般选用变桨控制法，进行控制该电机，及将其应用到风力发电机组中。当机组电压降低时，可以进行控制定速异步电机的变桨，以使定速异步电机的转速不变，即实现低压穿越技术的进行。此外，由于异步电机的运行速度快，且变桨惯性速度较大，因此，进行对变桨控制时，需要变桨具有较高的质量。而通过控制变桨，实现低压穿越技术的效果，并不理想，也较难以实现电网的恢复。

对于鼠笼式定速异步电机而言，一般在运行时，还要对无用功进行吸收，以使其正常运作，因此，常见的处理方法是，进行以电机最大功率安装电容，以使该无用功被吸收。而这种方法也并不完善，如容易造成正常风机运行中的电压波动。针对以上方法可以进行相关改进，如进行安装一静态无功补偿器，以保障风机运行过程中的电压稳定。同时也能够促进低压穿越过程的顺利完成。又如，进行安装静态同步补偿器，对静态电压进行调节，以促进低压穿越技术的顺利实施，及完成。此外，这种方法能够保障低压穿越技术完成的效率，但存在成本较高的客观现实。

通过控制定速异步电机，能够实现低压穿越技术的完成，其存在的实际问题很多，但都能够进行解决，因此，使用控制定速异步电机的方法，以实现低压穿越技术的完成，能够被广泛开发与利用。

3.2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。

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。

3.3同步直驱式风力发电机的低电压穿越实现

电网电压跌落时主要是因为风力机吸收的功率与输送到电网的功率不平衡，引起网侧变流器过电流或直流侧母线过电压，因此主要是在电网电压跌落时保持输入输出功率平衡，目前最常用的方法有两种。

减小风力机输入的功率。当跌落发生时，控制风力机变桨以降低捕获的风能，减小发电机定子输出功率，使系统获得功率平衡。此方法受变桨执行机构等方面限制，响应速度较慢。

增加Crowbar保护电路。在直流侧增加Crowbar保护电路，电网跌落期间吸收多余的能量，并通过与网侧变流器的配合，保持直流电压恒定，使直驱式风电系统可以继续安全的并网运行。Crowbar保护电路通常可归结为基于耗能型Crowbar的过电压保护方案、基于储能型Crowbar的过电压保护方案及基于辅助网侧变流器转移多余能量的过电压保护方案。

4.结语

综上所述，风力发电技术，是促进人们生活提高的重要技术，也能够提供与相关区域，进行合理使用电力资源。风力发电技术的发展，也同样能够使人们的用电得到保障。风力发电低电压穿越技术，是保障风电机组正常运行，及保障风电机组正常发电的保障技术。对该技术进行重点研究，并开发，也能够使风力发电技术获得稳定，及进步。尤其是当前，我国各个行业都有所进步，人们对电力的需求也越来越广泛，因此，进行风力发电技术的研究与开发也十分重要。

参考文献

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[2]风力发电机组低电压穿越测试与分析[J].电源技术,2017(6).\

[3]黄可.永磁直驱风力发电系统低电压穿越技术的研究[D].2017.