高壓變頻器在風力發電系統中的應用研究

周建庭

摘要：本文針對當前在風能發電系統中的特種設備之一——高壓變頻器的技術方案進行了闡述，并分析了當前變頻器中所存在的問題，最后對高壓變頻器在風力發電系統中的應用進行了說明，為我國的風力發電技術提供一些技術支持。

關鍵詞：特種設備、高頻變壓器、風力發電系統、變頻技術、低電壓穿越

• 引言

當前，發電系統除了火力發電外，還有風力發電、水力發電、核能發電能。由于火力發電需要消耗地球上大量的煤炭資源，而且所產生的氣體和粉塵會污染大氣。因此，以風力發電等為代表的清潔能源得到了快速的發展。在風力發電系統中，如果電網的電壓出現短路時，會造成風電機脫網，繼而損壞發電機和變流器等設備，嚴重的情況下會破壞整個電網的運行。因此，高壓變頻器的作用就非常大，它是決定電網安全運行的關鍵設備之一。因此，加強對高壓變頻器的技術研究，對于保障風機機組和電網的安全運行有著非常重要的意義。

• 現階段風力發電系統中變頻器的技術方案

在現階段，風力發電系統中變頻器采用的技術方案多為低電壓穿越。整個風電廠的機組只有具備一定的低電壓穿越技術，才能在電網發生故障時順利地穿越故障，避免故障給整個機組的運行帶來障礙。低電壓穿越技術，顧名思義，就是在風力發電機并網點的電壓迅速下降的時候，機組中的設備仍能夠工作，維持系統的并網，甚至可以向電網提供一定的無功功率，以促進電網的盡快恢復。目前常見的低電壓穿越技術采用的技術主要是主動或者是被動撬棒的電路。在低電壓穿越電路中包含了風力發電機和電網之間的機側變頻，以及網側變頻器，同時還有風力發電機轉子側的撬棒電路。在該技術中，通過撬棒電路來實現低電壓的穿越。

為了提高風電機組的低電壓穿越能力，必須根據當前使用的主流風電機組的雙饋感應發電機的運行特點進行分析，對電網在故障發生和故障恢復的過程中進行研究，并指定對應措施消除或者盡可能地減少在不離網控制的基礎上將對機組的損害降到最小。

3???現階段風力發電系統中變頻器存在的問題

在雙饋感應發電機的電壓瞬間下降的時候，定子磁鏈由于不能跟隨著定子端的電壓突變而變化，就會產生直流分量，這樣就帶來定子和轉子之間的大滑差，從而造成轉子繞組的過流和過壓。過流會造成轉子勵磁變流器的損壞，過壓也會使得發電機的轉子繞組絕緣會擊穿。因此，為了確保風電機組運行的安全可靠，必須要保護好發電機的勵磁變頻器，對機組的過壓和過流進行保護。

在上述的低電壓穿越技術中，由于撬棒電路中的電阻阻值不能進行調節，當電網中的電壓出現急劇的下降時，就會造成電流過大。由于發電機組的發電量是隨著電網中消耗的總量而有所波動的，因此不能及時地調節轉子側的過電壓和過電流，并且不能對電網進行無功支撐，這樣就會造成電路的頻繁切入，使得發電機的運行不穩定。并且，由于轉子的繞組與撬棒電路和變頻器是并聯關系，當撬棒電路被觸發撬動時，在機組中的絕大部分過剩功率就會被撬棒電路消耗掉，從而引起風電機組不能及時向電網提供無功功率，這就在出現故障時不能發揮作用，使得電網的恢復遇到障礙。

4???高壓變頻器在風力發電系統中的應用

為了杜絕上述出現的問題，為風電機組提供一個安全可靠的運行環境，在風力發電機系統中使用高壓變頻器。該應用的具體方案為：在系統中使用雙饋發電機，并將其作為整個風力發電系統的核心部位，轉子通過變頻器和電網相連接，定子通過并網開關和電網相連接。當發電機在低于同步轉速值下進行發電工作時，通過轉子的轉動，從電網中吸收電能，而定子進行電量的輸出，并通過電路系統將電量輸出給電網。當發電機在高于同步轉速值的情況下進行工作時，此時定子和轉子均同時向電網輸出電力。

在該系統中，撬棒電路和吸收電路構成了電路的主體。其中，三相整流橋、大功率泄放電阻和選擇開關構成了撬棒電路。三相整流端和發電機的轉子的輸出各端口是相連的。在該發電系統中，設置了幾組電阻和可控晶體管。它們的作用是用于吸收轉子側的過剩能量。

該系統工作的原理為：撬棒電路交流側和發電機轉子繞組的出現端相連接，直流側和變頻器的直流母線相連接，而且每組可控晶體的控制端全部連在同一個控制器上，這樣就可以對變頻器的直流母線電壓進行測量，并將所測得的數據傳遞給控制器?？刂破鞯淖饔镁褪歉鶕邮盏降哪妇€電壓值大小來自動分配每條線上的可控晶體管的導通時間，以此來調節撬棒電路中的最終電阻值，最終實現直流母線上電壓值的調節，以此來保證系統中的電壓值處于規定的范圍內。并且通過高壓變頻器對電網輸出無功功率，以促進電網電壓的盡快恢復。

具體的控制方法為：當電網中電網在急速下降的瞬間，對變頻器的直流母線電壓和撬棒回路的直流側電壓進行同步測量。如果所測得的高壓變頻直流母線電壓值大于耗能電阻的觸發電壓，就會將開關管導通，此時耗能電阻將系統中的過剩能量進行吸收，并通過對開關的通電時間來控制直流母線電壓值，防止其升高，最終控制在規定的范圍內。在撬棒回路的直流側電壓值如果一直增大到超出觸發電壓時，將斷路器進行閉合，且將選擇開關進行導通。在撬棒回路中，電阻將轉子側的過剩能量進行消耗，并抑制高壓變頻直流母線的電壓值變大。如果撬棒回路中的電壓值一直上升并且超出回路中觸發電壓的一定值時，選擇開關會進入導通的狀態，將斷路器斷開，由撬棒回路將轉子多余的能量進行消耗。從而使得撬棒直流側中的電壓值不斷下降，并最終回落到小于回路中的撬棒電壓值。此時選擇開關進行斷開，將撬棒回路斷開。

總的來說，當系統中由較大的能量剩余時，由撬棒回路來消耗轉子的多余能量，達到對電路中電壓值的調節，從而實現系統中風機設備的運行穩定性和安全。

5????結語

本文通過對高壓變頻器在風力發電系統中的應用進行了探討，提出了低電壓穿越的控制，并結合雙饋風力發電機系統的應用，能夠大幅度提高系統對直流母線電壓的調節靈敏性，不僅保障了系統運行的穩定性，也增加了電網的故障抵御能力。

參考文獻：

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