雙饋風力發電機低電壓穿越技術綜述

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

雙饋風力發電機低電壓穿越技術綜述

孫云鵬 ，謝冬梅

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

隨著風力發電裝機容量的不斷擴大，具有低電壓穿越能力(LVRT)已逐步成為風電場的要求。本文在目前國內外學者研究的基礎上進行分析與總結，以期為風力發電系統中的系統低壓穿越技術的研究提供支持。

風力發電 ；電網電壓跌落 ；低電壓穿越技術

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。風力發電在清潔能源與可再生能源中是發展前景最好的發電方式之一，風力發電的開發技術已經很成熟了，它對環境的破壞也是最低，在開發成本上降低的最快，開發的條件成熟，運行也較為靈活。根據國家能源局發布的《可再生能源發展“十三五”規劃》，到2020年末，累計并網裝機容量必須要提升至2.1億千瓦，除此之外，海上風電并網裝機容量必須提升至500萬千瓦;風電年發電量應提升至4200億千瓦時，這個數值大約為全國發電總量的6%。

本文就當前的雙饋式恒頻風電機組風電系統中的LVRT技術進行綜述，以期對低電壓穿越的工程的實現提供支持。

1 低電壓穿越技術的技術要求

國家電網公司召開的“促進新能源發展工作會議”上，發布了《國家電網公司風電場接入電網技術規定（修訂版）》，以規范風電并網，促進風電行業的發展。其中對風電機組低電壓穿越能力做出了詳細的要求，當風場并網點電壓在圖中的電壓輪廓線以下的時候，場內的風電組是允許從電網中切除的，反之場內風電機組則必須保證不斷并網運行。

規定的風電場的低電壓穿越的要求為以下幾點。

（1）在風電場的風電機組的并網點電壓降到額定電壓的20%時可以保持并網運行625ms低電壓穿透的能力。

（2）在風電場的并網點的電壓發生跌落后的3s中可以重新回到額定電壓的90%時，其風電機組可保持并網運行。

2 低的電壓穿越技術保護方案

2.1 改進矢量控制策略

2.1.1 控制策略的概況

網側的換流器以STATCOM模式工作時，系統發生電壓跌落的時候，為系統提供動態的換流器無功支撐，風機側的換流器就會以恒定的功率因數的方式工作，功率因數則是認為預先給定，從定子側像電網發出無功功率。若直流的母線電容達到穩定值后，且工作狀態為放電的狀態，則可以為換流器供電。

2.1.2 網側換流器的控制策略

設定電網和網側的換流器之間沒有無功交換，這是一般的矢量控制策略。但是在故障時為給完成風機的LVRT，則電網需要網側換流器對其進行一些無功補償，如果只是靠人工主動的去設定補償的量，當故障的情況比較復雜的時候，響應速度肯定會受到很大的影響，鑒于此，對一般傳統的矢量控制改進是十分必要的，DFIG的網側換流器的結構與STATCOM非常類似，所以在系統的電壓產生跌落的時候，可以讓網側換流器以STATCOM狀態進行工作，讓網側換流器根據電網的電壓去調節無功的發功量。

網側換流器的等效電路可推出三相靜止坐標下的電壓方程：

式中：uga、ugb、ugc表示電網三相電壓；ua、ub、uc表示網側換流器的三相電壓；ia、ib、ic表示網側換流器的三相電流；Rg、Lg表示網側換流器串聯的電和感和電的阻和。

由派克變換可以得到同步旋轉坐標系下的網側換流器的電壓方程：

式中：ugd、ugq表示電網電壓的直軸、交軸分量；ud、uq表示網側換流器電壓的直軸、交軸分量；id、iq表示網側換流器電流的直軸、交軸分量；ωs表示同步角速度；p表示微分。

得到的換流換器的直流側電流的方程為：

式中：udc表示直流母線的電壓；C表示直流母線的電容；idcs表示網側換流器的直流電流；idcr表示機側換流器的直流電流。

若忽略換流器的損耗則有：

式中：m表示網側換流器的調的制的系數。

由(3)、(4)式可以得到：

由(2)、(5)與機端電壓—無功電流變換控制方程，可以得到網側換流器的控制方程：

式中：Kip表示電流內環的比例調節的額增益；Kil表示電流內環的積分調節的增益；Kup表示電壓外環的比例調節的增益；Kul表示電壓外環的積分調節的增益；Ksp表示機端電壓變換為無功電流的比例調節的增益；Ksl表示機端電壓變換為無功電流的積分調節的增益；各量右下角的ref表明該量為參考值。

2.2 轉子短路保護的技術

保護轉子短路可以在發電機轉子側邊裝Crowbar電路，當檢測到電網的電壓發生大幅電壓跌落的時候，對雙饋感應發電機的勵磁交流機產生閉鎖，與此同時投入轉子回路旁邊的保護機制，從而限制勵磁交流器的電流大小以及轉子的繞阻的電壓作用，以達到維持發電機不斷網運行的目的，這時雙饋感應發電機以感應電動機的方式進行運行，這是當前的風電制造商常用的方法。

Crowbar的電路有下面幾種。

（1）IGBT型的Crowbar電路，一個橋臂都有兩個二極管，且二極管串聯，直流側則增加一個吸收電阻和一個IGBT器件。

（2）混合型的Crowbar電路，一個橋臂也有兩個二極管串聯以及還有控制器件組合。

電網發生電壓跌落導致轉子的電流會突然增大，當增大至越過之前設定轉子電流的限定值的時候，IGBT會被主動激活以保護電路的開通，于是Crowbar電阻則會等效的接入雙饋電機的轉子回路之中，而故障時候的電流則通過Crowbar電路流通，避免了電流直接通過變換器，與此同時閉鎖了PWM變換器，做到了對轉子側的PWM變換器的保護，之后雙饋電機以類似鼠籠式的異步發電機的運行轉臺從電網中獲得部分的無功功率，一旦轉子的電流正常時，IGBT則關閉保護電路，雙饋電機重新回到正常狀態中。

（3）有旁路電阻的Crowbar電路（如圖1所示）出現電壓跌落時，可以為該期間將會提供通路，以解決可能會出現的大電流的情況。用這樣的電路，在電壓跌落與恢復的時候，可以保持轉子與轉子側變流器保持正常的連接，消除故障之后只需要切除旁路電阻便可以迅速使系統恢復正常的運行，旁路電阻可以有效限制轉子側大電流又可以避免過電壓。

圖1 帶有旁路電阻的Crowbar電路

但是Crowbar電路也存在一些缺點。

（1）成本增加，因為需要增加一些新的保護裝置。

（2）電路故障時，雖然保護了轉子繞組與勵磁變流器，但是同時以感應電機方式運行的機組卻從系統中吸收了很多的無功功率，這樣會增加電網中電壓的不穩定性，且一般傳統的Crowbar保護電路也會對系統產生沖擊。

3 結語

風力發電系統是一個龐大的系統，包括集成化高、控制較為復雜以及結構具有龐大性。在電網電壓發生跌落的程度較輕的時候，可以通過對系統的控制策略進行相關的改進，便可以有效的提升風電系統的低電壓的穿越的能力，這是在不增加硬件的條件下。一旦電壓的跌幅較大，此時便必須要通過增加硬件的方式，再跟之前的控制策略進行配合，綜合協調就可以實現風電系統并網中的LVRT的要求。

[1]包耳.風力發電技術的發展現狀[J].可再生能源，2004(2): 53-55.

[2]胡家兵，孫丹，賀益康，趙仁德.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J].電力系統自動化，2006,30(8):21-26.

[3]賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發電系統低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報，2009,24(9):140-146.

TM614

：A

：1671-0711（2017）08（上）-0152-02