論述風力發電低電壓穿越技術

郭子豪

摘要：隨著工業化的進程加快，能源問題日趨尖銳化，世界各國都在開發新的可再生能源，利用風力發電也在全球范圍內日趨盛行。我國的風電的裝機容量在近幾年內也獲得了快速地增長。低電壓穿越是風力電網中的重要技術，我國的風力電網系統的快速發展對低電壓穿越技術提出了新的要求和挑戰。本文分析了風力發電低電壓穿越技術。

關鍵詞：風力發電;電壓跌落;低電壓穿越

引言

隨著能源日益枯竭，環境不斷惡化，風能作為一種高效清潔無污染的新能源逐漸引起人們的重視，已成為致力于可再生能源利用國家面對能源危機的共同選擇，經過近年的飛速發展，已成為我國三大能源之一，風力發電技術也隨之得到迅猛發展。我國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，是一個風力資源豐富的國家。近年來，我國的風電產業發展迅速，截至2013年底我國風電新增裝機容量16088.7MW，同比增長24.1%;累計裝機容量91412.89MW，同比增長21.4%，新增裝機和累計裝機兩項數據均居世界前列。大規模風電場并網將會對原有電網的功率傳輸方向、電網電壓、頻率、系統穩定性、諧波污染、線路損耗和保護裝置等產生不利影響，提高風電穿透功率、開展風功率預測、研究低電壓穿越和動態無功補償等技術將會對解決上述問題產生積極作用。基于風能隨機性和波動性的特點，加之風電裝機容量占電網總容量比例較大時會對電網安全運行產生不利影響，合理協調分配風電場與原有電源之間的出力關系，減小風電場并網對輸電網的沖擊，使其能向常規電源發展將是構建統一堅強智能電網和分布式電源發電的重要組成部分。本文詳細綜述了現階段風電技術發展所面臨的難點和研究的熱點，并展望了風力發電技術的發展前景及風力發電趨勢。

1變速恒頻發電系統概述

近年來，社會進步和人類生活水平的提高造成能源消耗不斷加劇，能源危機已經成為阻礙人類社會發展的頭等問題。風能作為一種清潔的可再生能源儲量豐富。因此合理開發利用風力資源，既可以解決能源短缺，又可以優化能源結構。目前各個國家政府開始重視和支持風電產業的發展，風力發電各項技術也逐步趨于成熟，迎來了發展的新機遇。在最新的“十三五”規劃中，國家將建設西部風電大基地，要求風電產業發展“穩中求進”。截至2015年，全國及全球累計并網風電裝機容量分別達到145 GW和432 GW。目前主流的風電系統為變速恒頻發電系統，分為雙饋式風力發電系統和直驅式風力發電系統兩類。變速恒頻系統是一種新型風電系統，起步于上世紀70年代，通過變流器控制電機轉矩實現變速，大幅提升風能利用率。但目前該系統的低電壓穿越能力不足已成為風電機組大規模脫網的最主要原因之一，因此本文將對此系統的低電壓穿越特性做重點研究。

2電壓跌落對風電系統的影響

2.1FSIG的暫態過程

FSIG定子側和電網直接連接，其特點是轉速不能控制并且無功需要吸收，電網電壓如果出現跌落，會直接使異步電機轉子出現轉速的變化，導致轉速在暫態過程中出現飛升的問題，使電機出現嚴重地損壞，大量無功在電網中被異步電機吸收，這些因素都在電網的復原中形成阻礙。

2.2DFIG的暫態過程分析

DFIG定子側與電網直接連接，電網電壓跌落會引起雙饋電機定子和轉子磁鏈的變化，由于磁鏈守恒不能突變，定子和轉子繞組中會出現暫態直流分量，不對稱故障時還會有負序分量，由暫態電流產生的磁鏈來抵消定子電壓跌落產生的磁鏈變化。因感應電機的轉子高速旋轉，直流暫態分量將會導致定轉子電路中感應電壓和電流的升高，嚴重時會超過電力電子器件和電機的安全限定值，造成設備的損壞;同時暫態過程會造成DFIG電磁轉矩的波動，這將給齒輪箱造成機械沖擊，影響風電系統的壽命。

2.3對電網調度的影響

風能的不可控性使其很難像傳統能源一樣具有良好的可調性和預測性，風電接入電網后，使得系統的備用容量增大。因常規火電機組的投運需要長達幾小時，若系統的備用容量不足，則會限制風電場的接入。風電并網常常會出現“削谷填峰”的現象，即在高峰負荷期風能很少，而在低谷負荷期風能發電量卻很大。這使得電網調度工作具有一定的難度，通常采用儲能技術將低谷負荷期的電能存儲起來，在高峰期時饋入電網，達到“削峰填谷”的效果。

3風力發電低電壓穿越技術實現方案

3.1定速異步發電機中實現低電壓穿越

定速異步發電機在電壓跌落過程中，會出現電磁轉速增加，根本原因是由于電磁轉動距離縮短，由于定速異步發電機的內部構造簡單，變槳控制是針對它最好的辦法，這種辦法的原理是當檢查出故障后，通過及時變槳來縮短電磁轉矩，使轉速達到穩定水平。定速異步發電機的風機槳葉產生的慣性很大，變槳控制方法要想發揮最好水平，在風機的變槳能力方面要求很高，電網的無功也無法通過變槳控制來實現，給電網的恢復提供支持。

3.2基于變流器控制

電網穩定時，控制變流器以獲得系統最佳工作性能;當電網故障時，則需保持風電系統安全渡過暫態區域，并向電網注入一定量的無功。為提升風電系統的低電壓穿越能力，需考慮過壓過流對設備的損害問題，一般從2方面考慮：1）增大器件的容量和提高器件的器件耐壓性能;2）改進控制策略。為增大變流器容量，提高耐壓性能，采取的措施包括串并聯功率器件，引入矩陣變換器或多電平變流技術，為大功率變流器在風電系統中的應用奠定基礎，也使得系統具備一定的低電壓穿越能力，但是提升程度有限。針對電網電壓跌落中出現的問題，在穩態控制的基礎上，采取改進的變流器控制策略，提升系統的暫態適應能力從而實現低電壓穿越。因并網結構不同采取的控制方式各異，下面結合DFIG和PMSG系統分別對不同控制方法進行分析。

3.3低電壓穿越

低電壓穿越（Lowvoltageridethrough，LVRT）在一定范圍內上可歸納為：應用電力電子技術解決電網發生故障時，保持風電場在一定時間內不脫網運行，并向電網提供一定的無功功率支持“穿越”這段低電壓時間的能力。當電網電壓降低時，風電機組通常處于被動式自我保護而從電網中解列，當風電在電網中所占比例不大時是可以接受的。然而，隨著風電裝機容量的不斷增大，若電網故障時仍采取被動式解列運行，則在電網的故障上又加了一個擾動源，嚴重威脅電網安全運行，甚至導致系統解列。

結語

隨著以雙饋感應發電機為主體的大型風力發電機組裝機容量的不斷增加，提高并網風力發電能力顯得尤為重要。電力系統將對并網風電機組在電網電壓降的情況下提出更高的要求，風力發電系統必須具備低壓穿越能力，因此提高低壓穿越能力將是未來研究的熱點。雖然雙饋感應發電機在世界上仍然是主流的發電方式，但近年來，直接驅動永磁同步發電機由于其結構更加簡單、低電壓穿越性能更好，在市場上的份額逐年增加。

參考文獻

[1]王偉，孫明，朱曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電力系統自動化，2016，31（23）：84-89.