雙饋式風力發電系統低電壓穿越技術探討

王磊

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽 110000

在當今的時代之中，世界對于能源的問題越來越關注，對于一個國家而言，能源在國民經濟的發展之中以及社會生活水平的提升之中都發揮著至關重要的作用，因為石油等都屬于不可再生的能源，其使用對于生態環境的破壞也是十分巨大的，因此，隨著人們節能環保意識的不斷增強，以及當今能源環境問題的日益嚴重，人們不得不尋找新的能源。風能就是一項十分重要的新能源，在當今，風力發電系統已經得到了良好的發展，尤其是雙饋式風力發電系統之中低電壓穿越技術的應用，更是讓風電系統得到顯著的進步與發展。

1 關于雙饋式風力發電系統之中的低電壓穿越技術

在風電機組之中，低壓穿越的能力指的是當風機并網點的電壓跌落情況下，風力機可以繼續保持并網的狀態，甚至能夠將無用功向著電網提供，對電網的恢復起到積極的促進作用，一直到電網完全恢復正常，而在這個低電壓的時間以及區域之內進行穿越。在當今，世界上主要的風電技術包括變槳距調節、定槳距調節、變速恒頻以及主動時速調節技術[1]。在這些風電技術之中，變速恒頻風電技術憑借其最大風能追蹤利用率的良好，運行的范圍比較寬、以及功率控制策略的靈活有效等諸多的優勢，在風電系統之中得到了廣泛的應用。在風電機的發展之中，交流勵磁雙饋發電機的應用以及永磁發電機的應用是其主要的方向。雙饋式發電機大多應用的是定子磁場的定向矢量來進行控制，而定子磁場之中的定向就是把同步旋轉的坐標系之中，d軸和電動機的定子磁鏈矢量之間重合，進而對定子磁場基礎上，定向雙饋式的風力發電機穩定狀態之下的有功功率以及無功功率的解耦勵磁控制的模型進行推導，這樣就可以讓勵磁控制系統的模型得到進一步的簡化[2]。除了這種方法之外，還有應用電網的電壓進行定向以及氣縫磁場進行定向等的方法。

DTC是直接轉矩控制的簡稱，應用這種控制方法，不需要像對矢量進行控制一樣對一系列坐標進行變換，也不需要對直流電動機控制進行模仿，而是直接對電動機磁鏈以及轉矩加以控制，讓轉矩得以快速地響應，進而使其控制性能變得更加高效。在當今的DTC研究之中已經得到了很大的進展，但是對于理論與實際的結合還不是十分成熟，比如低速的性能以及負載能力等。在我國，DTC技術依然處在初期的研究階段之中，但是收到這一技術的啟發，VSCF雙饋風電系統直流功率的開控制已經被提出，DPC就是其簡稱。DPC并沒有復雜的坐標變換，它的實現方法和雙饋式的風電機有很大的相似性，它可以將雙饋風電機的定子側的有功功率以及無功功率直接作為被控量，進而對其進行控制[3]。對于輸出量，應該根據電壓矢量的選擇表對轉子變頻器開關的狀態加以確定。

因為滑模變結構的控制系統有著響應速度快、對參數變化不敏感、容易實現以及設計簡單的優點，所以已經廣泛應用到了風電系統之中。但滑模變結構有著切換抖動的缺點，容易沖擊到風電機械設備，所以應該將這一問題加以有效解決。近代國內外的相關專家通過這一理論進行了新的控制方法設計，其中有自適應的控制方法、人工神經網絡的控制方法、模糊控制方法等，同時在進行控制的過程中，也會將這些控制方法進行組合或者是復合應用。

2 雙饋式風力發電系統之中低電壓穿越技術的實現分析

2.1 轉子保護技術的應用

轉子保護技術在當今的風電系統制造之中是制造商們所常用的一種方法，這種方法主要是借助于硬件的電路來實現，將Crowbar轉子的保護電路裝置在其發電機的轉子一側，給轉子這一側的電路提供出旁道，如果檢測出電網系統之中存在故障，并且出現了電壓跌落的情況，雙饋感應發電機之中的勵磁變流器就會閉鎖，并投入到轉子的回路旁道之中，對裝置起到有效的保護作用，并且讓從勵磁變流器之中通過的電流與轉子的繞組達到有效的過電壓保護作用，進而讓發電機得以不脫網運行，在這一過程中，雙饋感應發電機是按照感應發電機的運轉方式來運行的[4]。在當今，Crowbar有著以下的兩種典型電路：

第一是混合橋型的Crowbar電路，其結構如圖1所示，其中，每一個橋臂都是通過控制器件以及二極管進行串聯而組成的。

第二是IGBT型的Crowbar電路，如圖2所示，每一個橋臂都是通過兩個二極管進行串聯，并在直流的一側串聯進一個IGBT器件以及一個吸收電阻所組成的。

勵磁交流器也就是轉子端的變流器在電網有故障發生的時間段內，和電網、轉子的繞組始終保持著連接的狀態，在Crowbar投入到工作之中的時候，雙饋電動機就可以變成感應電動機來繼續運行，所以，在從故障的發生到故障的消除這段時間之內，雙饋發電機都可以和電網保持同步運行的狀態。在消除了電網的故障之后，將功率開關關掉，就可以切除Crowbar，讓雙饋感應發電機恢復到正常的運行狀態之中。在發電機組進行并網運行的過程中，低電壓的檢測系統會按照所接入的電網一方實際的需求對電壓的限值進行合理設定，通過額定電壓百分比對電壓降低的程度來進行定義，也可以對低壓的持續時間進行設定，如果電網之中的電壓比設定電壓低，系統就會將這樣的情況判定為低壓事件，并立即以受到低壓影響的嚴重等級作為依據，將一些其他器件的電源切換成備用的電源，這樣就可以保證風電機組不脫網運行，讓主控制器以及變流器的系統可以通過相應的措施保障機組的安全運行，同時，也可以將非關鍵的器件切斷，進而使得相關部件不會因為過高的電流而造成傷害。而且，控制系統也要對發電機的轉子端進行電流的監測，如果電網之中出現了低電壓的情況，并且其持續的時間也超出了設定的范圍之內，交流器的控制器就會將轉子的短路保護裝置啟動，進而有效預防功率器件遭到損壞[5]。在低壓事件結束之后，發電機的輸出功率才可以重新進行提升，此時，主控制器才可以把系統切換到正常的工作狀態之下進行運行。

2.2 對控制策略進行改進的方法

為了讓成本得以有效的控制，很多專家學者都在找尋一種不增加硬件的電路，僅僅通過相關的改良策略就可以讓風電機組的低壓穿越得以實現的方法。通過相關專家和學者們的不斷研究，最終總結出了幾種新的控制策略。

對基于可靠的控制技術H∞以及μ-analysis的方法進行全新的控制器設計，對多種的不利條件加以全面考慮。這種控制器有著以下的控制思路：第一，在發生故障的期間，因為電網不能對能量進行提供或者吸收，所以此時就應該將風電機的參考功率設置為零。第二，在故障發生的過程中，依然要對轉子的一側進行控制。第三，在相關文獻之中所建立的H∞控制器，其網側的控制器應該被用來對直流電壓故障以及定子電壓故障進行檢測，這樣就可以讓電流的信號產生，進而讓故障量得到有效補償。其轉子一側的控制器被用來對有功異常以及無功異常進行檢測，同時有轉子電流的產生，進而實現對信號的有效補償。

在相關的文獻之中，指出了雙饋感應發電機在進行低電壓穿越的過程中，最重要的難點就是在發生故障的時間段之中，轉子之中有反電動勢的產生，之所以會產生反電動勢，主要是通過定子的磁鏈直流、負序、分量和轉子所決定的。在相關的文獻之中，通過這個原理，利用限制反電動勢的方法對短路的過程之中過電流的情況加以限制，以下就是其主要的思路：第一，通過轉子的電壓讓定子磁鏈之中的直流分量以及負序分量作用得以減弱。第二，定向轉子的電流，讓轉子的電流可以抵消掉轉子磁鏈之中的一部分直流分量以及負序分量，同時，為了讓轉子之中的電流以及直流電壓暫態的響應不會過大，就應該仔細斟酌低效部分的分量比例。第三，如果可以將雙饋感應發電機之中的定子以及轉子漏感予以增加，就可以讓轉子的電流抵消作用得以增強，讓機組低電壓的穿越能力得以提升。

在不進行電路加設的情況下，僅僅對控制策略加以改進就能夠將一些量的暫態相應進行減弱。通過能量守恒的原理來對其進行分析，在電網之中有故障發生的時候，發電機一端的電壓就會低于其平時的工作電壓，這就意味著系統向電網所輸送的電能就無法維持在正常的狀態。同時，因為雙饋風電系統有著較大的饋性，因此，在短時間之內，調槳系統對于內能的調節范圍也是十分有限的，所以其捕獲到的風能之中就會有一部分處于過剩的狀態，此時如果僅僅應用控制器；來對其進行調節，并不能讓這些能量得到一個足夠的釋放通道[6]。因此，實際上，我們可以認為借助于控制策略的改進就可以讓電壓以及電流達到均衡的標準，進而保障這兩個值都不會過高的狀態下，通過系統自身來吸收掉這一部分的能量。但是，這樣的方法僅僅在電壓跌落并不是非常嚴重的條件之下才比較適用，而一旦電壓的跌落十分嚴重，僅僅憑借控制策略來進行改進，低電壓的穿越是難以實現的，因此，在這樣的情況下，就一定要進行硬件的加設來起到輔助電路的作用。

3 雙饋式風力發電系統之中低壓穿越技術發展的方向分析

通過以上的分析與研究可以發現，在我國，雙饋式風力發電系統之中，低壓穿越技術的發展可以總結為以下的幾個方面：

建立起與我國的實際電網情況相符合的低壓穿越技術的相關標準，讓風電設備的生產商以及風電場的開發商在相關設備的生產制造以及應用之中都具有可以參考的依據。如果一個地區有著較強的電網，就可以將低電壓的穿越技術要求得以適當放寬，進而讓工程的成本得以有效降低，但是在有著弱電網的區域之中，就應該對低壓穿越的技術標準予以嚴格執行，這樣才可以有效保障電網以及相關機組的運行安全。

因為雙饋式風電系統運行的控制本質就是控制勵磁變頻器，因此在各種電網的故障發生時，雙饋式風電機組控制策略的改進應該成為低電壓穿越技術在未來的重點研究內容。尤其是對于并不嚴重的電網故障，在處理的過程中，就可以優先考慮在不增加硬件設備的條件下對控制方法進行改進。

對于當今的雙饋式風電系統以及勵磁變頻器而言，其瞬態的數字模型在精確度方面依然有著一定的不足，并不能將雙饋式風電系統處于各種電壓故障之下電磁響應的情況加以如實反映，這樣的情況就對相關保護裝置以及控制策略設計的精準性造成不利影響。因此，對含有保護裝置的雙饋式風電系統進行瞬態數字模型構建將會成為未來對低電壓穿越技術進行研究的重點。

在對電網發生故障時的快速無功補償方法以及電力電子的相關穩壓裝置進行研究的過程中，可以適當將電壓驟降的時候對雙饋式風電系統所帶來的沖擊予以降低，同時通過雙饋式的發電機組來實現電網電壓故障的修復以及電壓的穩定。這對于未來的低壓穿越技術研究而言將是一個十分先進而且可行性很高的控制思想。

4 結語

綜上所述，在當今的風力發電以及風電并網等技術的廣泛應用與飛速發展之中，風電的電網將會得到進一步的擴大。對于風電并網而言，電網的規程在其運行的方面將會有著越來越高的要求。在電網的故障從發生一直到消除的這一段時間之內，風力發電場不可以只為了自身的安全將其與電網之間的聯系切斷，而是應該對電網穩定運行的維修任務予以承擔。因為雙饋式風電系統在電網發生故障的期間內可以通過適當的控制策略來為電網提供有效的無功補償，進而實現有效的低壓穿越功能。通過這樣的方式，就可以讓風電系統在電網故障的發生期間維持電網正常運行，進而有效滿足當今社會人們的用電需求，促進風電企業的良好經營與發展。這對于節能環保目標的實現以及社會經濟與環境的和諧發展都將起到十分積極的促進作用。