宋振宇 張鎮(zhèn)浩

摘 要：近幾年，風(fēng)力發(fā)電的比例在總供電量中已經(jīng)占很大部分，加之風(fēng)力穿透率的增加，風(fēng)力發(fā)電很大程度影響了區(qū)域性電網(wǎng)的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題引起電壓跌落時(shí)，為了解決這個(gè)問(wèn)題解列風(fēng)力機(jī)組將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。所以在這個(gè)背景前提下，低電壓穿越技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。本文首先描述了目前我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電低電壓技術(shù)的有關(guān)規(guī)定，然后分析了不同類型的風(fēng)力渦輪機(jī)在電網(wǎng)電壓下降時(shí)的特性，最后對(duì)不同機(jī)型的差異進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;低電壓;穿越技術(shù)

當(dāng)今世界風(fēng)力發(fā)電廠高速發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，風(fēng)力發(fā)電在國(guó)家電網(wǎng)中的供電份額非常高，在某些國(guó)家和地區(qū)，雖然風(fēng)力所占的比例較大，但也有相應(yīng)的一些弊端出現(xiàn)。就是通過(guò)風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的故障產(chǎn)生率也相對(duì)較高。所以，在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，必須考慮風(fēng)機(jī)的工作情況以及對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響?；诖?，很多國(guó)家也都對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出了更加嚴(yán)格的要求，而風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)對(duì)于此問(wèn)題來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)有效的解決方法，同時(shí)也是風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)中最為困難與復(fù)雜的難點(diǎn)。低壓穿越技術(shù)是指在風(fēng)機(jī)接頭出現(xiàn)電壓降現(xiàn)象時(shí)，風(fēng)機(jī)仍然可以保持與電網(wǎng)的連接，甚至可以向電網(wǎng)提供一定量的電力來(lái)支持電網(wǎng)的復(fù)原，也可以直接堅(jiān)持到電網(wǎng)恢復(fù)正常。 電壓驟降不可避免地會(huì)給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)相應(yīng)的暫態(tài)過(guò)程，如過(guò)電壓、過(guò)電流或速度上升等情況，嚴(yán)重的情況也會(huì)影響風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)作。 大多數(shù)情況下，如果是電網(wǎng)故障，風(fēng)機(jī)將實(shí)施被動(dòng)自保護(hù)方案，即立即解列，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)殡娋W(wǎng)的穿透概率比較低，但風(fēng)的占比如果在整個(gè)電網(wǎng)中占據(jù)大部分，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)將出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，并且難以修復(fù)，更有甚者，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的癱瘓。低電壓穿越技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，可以起到使風(fēng)場(chǎng)中的電網(wǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的作用，所以低電壓穿越技術(shù)受到大力的推廣。目前，在市場(chǎng)中，比較常見且普遍的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三種，一是直接并網(wǎng)定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)二是同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī);三是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

一、低電壓穿越技術(shù)功能介紹

低電壓穿越技術(shù)在電網(wǎng)電壓下降時(shí)要求并網(wǎng)風(fēng)機(jī)仍能保持運(yùn)行，根據(jù)對(duì)穿越技術(shù)需求的不同，不同國(guó)家和地區(qū)有不同的要求，例如歐洲的德國(guó)、各地區(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)密度相對(duì)較高，因此對(duì)該地區(qū)的低電壓穿越技術(shù)風(fēng)力機(jī)組的要求很高。

二、定速異步機(jī)穿越技術(shù)

（一）定速異步機(jī)跌落暫態(tài)現(xiàn)象

首先，定速異步機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，如果電壓下降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電壓也會(huì)下降，這種不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致負(fù)序的分量變化，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差會(huì)大，電勢(shì)會(huì)依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差大小發(fā)生變化，轉(zhuǎn)差大轉(zhuǎn)子電勢(shì)相應(yīng)變大，最終形成更大的轉(zhuǎn)子電流。

（二）定速異步機(jī)穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在電壓降的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)主要是由于電磁轉(zhuǎn)矩變小而導(dǎo)引起轉(zhuǎn)速的提高，因風(fēng)力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以采用變槳控制技術(shù)是最直接的方法，是在檢測(cè)到電網(wǎng)故障后快速變槳使輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩變小，從而使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。由于風(fēng)機(jī)槳葉的大慣性，變槳控制對(duì)風(fēng)機(jī)變槳性能有很高的要求。因此，應(yīng)首先安裝靜態(tài)無(wú)功率補(bǔ)償器，始終為各種功率水平提供無(wú)功補(bǔ)償。其次，采用靜止同步補(bǔ)償器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)整，有效地改善了恒速異步風(fēng)機(jī)穿越技術(shù)。

三、同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

（一）同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)現(xiàn)狀介紹

與定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同，同步直驅(qū)式發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不是直接相連的，而是通過(guò)背靠背式的雙PWM變流器間接鏈接電網(wǎng)，電網(wǎng)的輸出功率會(huì)變低在電網(wǎng)電壓迅速降落時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率會(huì)短暫的維持穩(wěn)定，所以此刻輸出、輸入功率不同，這個(gè)過(guò)程中，直流母線電壓會(huì)迅速增加，它的上身會(huì)使PWM變流器不能正常運(yùn)行。如果為了維持電壓的穩(wěn)定去采取某些措施，就很可能增加電網(wǎng)輸出的電流，從而導(dǎo)致變流器不能平穩(wěn)運(yùn)作。

（二）同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)現(xiàn)象的分析可以明顯的看出電網(wǎng)電壓跌 落的主要原因是風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入功率和輸出到電網(wǎng)的功率不一致，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)的 AC/DC、DC/AC 變流器出現(xiàn)過(guò)電流或者是直流側(cè)的母線過(guò)電壓現(xiàn)象，總的來(lái)說(shuō)是同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)就 是保證電網(wǎng)電壓跌落時(shí)輸出輸入功率一直，比較普遍的解決辦法有兩 種：一種是通過(guò)較小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電壓跌落時(shí)， 控制風(fēng)機(jī)變槳來(lái)降低風(fēng)能吸收能力，發(fā)電機(jī)定子輸出功率，讓系統(tǒng)功 率得到平衡，上面也提到這種方法的操作難度比較高，同時(shí)相應(yīng)較慢; 另一種是在直流側(cè)增加 crowbar 來(lái)保護(hù)電路安全，電網(wǎng)電壓跌落會(huì)吸 收多余的能量，同時(shí)通過(guò)和變流器的結(jié)合保持直流電壓的穩(wěn)定，這樣 風(fēng)力發(fā)電機(jī)就能夠安全的運(yùn)行。

四、雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

（一）雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)現(xiàn)象介紹

雙饋異步發(fā)電機(jī)就目前來(lái)說(shuō)，是常見并且應(yīng)用最普遍的發(fā)電機(jī)，雙饋的含義是由兩個(gè)機(jī)件同時(shí)發(fā)出電能。這兩個(gè)機(jī)件分別是發(fā)電機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子。這兩個(gè)機(jī)件都與電網(wǎng)相連，并且與電網(wǎng)存在相應(yīng)的電能交換。

雙饋異步發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中通過(guò)能量的轉(zhuǎn)化進(jìn)行能源的產(chǎn)生，由其中的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)齒輪箱進(jìn)行加速，把產(chǎn)生出的定子和電能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中。如果電網(wǎng)存在故障，如變流器的功率不一樣，或者電網(wǎng)不相對(duì)稱的時(shí)候，電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的故障，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱等其余部件的安全平穩(wěn)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用質(zhì)量也會(huì)受到相應(yīng)損害。

（二）雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)必須具備以下幾點(diǎn)要求，第一，在電網(wǎng)出現(xiàn)一系列問(wèn)題時(shí)，保護(hù)電網(wǎng)和電壓不能出現(xiàn)故障問(wèn)題。第二，齒輪箱作為重要的零件機(jī)組，在電網(wǎng)故障時(shí)避免對(duì)齒輪箱進(jìn)行損壞。第三，隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，發(fā)電的范圍也不斷擴(kuò)大，但是，風(fēng)力發(fā)電的電能供應(yīng)缺失以及電能源的分布不均衡，導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生故障。因此，應(yīng)加速LVRT的標(biāo)準(zhǔn)。以上就是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電的必備要求。

通過(guò)雙饋電機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電控制，這種技術(shù)形態(tài)相對(duì)單一，不能獲得有效的故障控制，使電壓解耦不能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行;其次，雙饋異步發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)故障后悔發(fā)生改變，使其中的機(jī)件組織準(zhǔn)確性缺失，難以進(jìn)行故障的維修。所以為了使系統(tǒng)的控制能力得以提升，減少相對(duì)的震蕩狀況，在發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該將其中的定子和電網(wǎng)的連接進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行連接，修復(fù)故障，達(dá)到正常的工作狀態(tài)。

五、結(jié)論

近幾年，風(fēng)力發(fā)電的比例在總供電量中已經(jīng)占很大部分，加之風(fēng)力穿透率的增加，風(fēng)力發(fā)電很大程度影響了區(qū)域性電網(wǎng)的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題引起電壓跌落時(shí)，為了解決這個(gè)問(wèn)題解列風(fēng)力機(jī)組將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。所以在這個(gè)背景前提下，低電壓穿越技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。本文也對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等進(jìn)行了一些列的分析，旨在為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)提供一些新的思路與建議。

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