【技术解析】 风力发电低电压穿越技术浅析

　　随着工业化的进程加快，能源问题日趋尖锐化，世界各国都在开发新的可再生能源，利用风力发电也在全球范围内日趋盛行。我国的风电的装机容量在近几年内也获得了快速地增长。低电压穿越是风里电网中的重要技术，我国的风力电网系统的快速发展对低电压穿越技术提出了新的要求和挑战。本文结合三种不同类型的风电机分别探讨了低电压穿越的实现情况。
　　1.低电压穿越概述
　　低电压穿越即LVRT，指在电网发生故障或者电压下跌时，在一定的下跌范围内风机能够保持并网不脱落，向电网提供无功功率，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间或低电压区域。具体来说，当电压发生故障时，风发机组在这段时间内地控制不能引起电网的相位变化和功率波动。电网电压发生跌落的这段时间，电网只管输电系统的短路电流而忽视风电场内部的短路电流。可以这么说，低电压的穿越技术是决定一个风电系统技术高低的重要指标。
　　世界各个国家和地区根据其电网状况不同，对低电压穿越技术的指标提出的要求不同。技术指标的制定往往为各国关注的焦点，特别是发达国家将其作为经济发展的战略重点。德国的输电系统运营商E.on公司在2003年提出了低电压穿越的概念，2006年制定了并网标准。由于德国北部的风机密度高，对LVRT的要求如下：当电压跌落至15%～45%时，要求风机一直提供无功支持，并能保持并网至少625ms。而在电压跌落至90%以上，风机一直保持并网运行。我国在2009年制订了风电场并网标准。当电网跌落低于额定电压的1/5，风力发电机保持与电网相连接，并保持运行625ms，风电场并网点电压跌落后，三秒钟之内能还原至90%的额定电压。
　　2.不同类型风机低电压穿越的现实情况
　　若想提高风电机组的低电压穿越能力，就要增加工程造价，电压低落时，不同类型的机组的暂态特性不同。目前市场上风电机组类型大致可分为三类：直接并网的定速异动电机FSIG、同步直驱式风机PMSG和双馈异步式风机DFIG。
　　2.1定速异动电机 FSIG和双馈异步式风机DFIG
　　FSIG和DFIG均是定子测直接连接电网，电压的跌落在电机的定子端电压上能够直接反映出来，在电压跌落的瞬间，定子磁因为不能随定子端电压变化，便出现直流成分，若是不对称故障还会引发负序分量，相对于较高的转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而产生较大的转子电流，使得转子过电压和过流的现象加重。DFIG转子侧边接有AC/DC/AC变流器，如果不控制转子电流的话，较高的转子暂态电流会损坏电力电子器件或影响其使用寿命，而如果控制转子电流，又会使变流器电压升高从而损坏变流器。因此，实现DFIG的穿越比较困难。
　　2.2 同步直驱式风机PMSG
　　对于同步直驱式风力发电机，由于其定子和电网不是直接连接，是经AC/DC/AC交流器与电网连接的。电压跌落瞬间，输出功率减小，而发电机的输出功率不变，由于这种不匹配直流母线电压将会上升，这样会威胁到电子电器的安全。如果这时候采取控制措施，使直流母线的电压保持不变，又会增加输出到电网的电流，可能最终导致变流器的损坏。
　　3.低电压穿越的实现办法
　　3.1 FSIG的低电压穿越实现
　　在低电压的跌落瞬间，可以运用变浆控制来减小转矩，保持转速不发生变化。由于风机的桨叶惯性非常大，因此，风机的变桨性能必须要求很高。而且异步电机在运行时需要吸收无功，所以在操作时通常是按照最大功率输出安装电容器组来减少无功的吸收，但是这种方法也可能引起系统的电压波动，从而导致发电机械的磨损，在故障发生时还会使邻近母线出现过电压。我们采用的方法是安装一个静态的无功补偿器以实现补偿，这样能使稳态运行时的波形得到改善。还有一种方法是采用静态同步补偿器来调节电压，这样补偿的电流不会随着电压的下降而下降，低电压穿越能力得到增强。
　　3.2 DFIG的低电压穿越实现
　　提高双馈异步式风力发电机的低电压穿越能力大致的方法可以采用转子短路保护技术、合理的控制策略
　　当电压跌落瞬间，通过给发电机转子安装一个提供旁路电路，为转子侧的电流提供一条通道，即crowbar电路[3]。电压跌落时，双馈异步式风力发电机的励磁变流器关闭，这时，转子侧的电流从crowbar电路通过，励磁变流器的电流和转子绕组的电压均能得到控制，发电机也能不脱网照常运行。另外，还可以通过改进双馈异步式风力发电机的励磁控制策略来实现低电压的穿越。电压跌落时，亦可限制转子电流交流分量，通过发电机定子电阻对定子磁链中的暂态直流分量灭磁，通过这样的方式也可以实现低电压穿越。
　　另外，还有一种方法是通过加装能量的储存装置来限制直流母线过电压。这种方法能够持续的控制电力系统，但是不足之处是无法有效地控制转子电流。
　　3.3 PMSG的低电压穿越实现
　　电网电压跌落时应该注意保持输入输出功率平衡。可以通过减小风力机输入功率或者增加crowbar保护电路的方法来提高低电压穿越能力。当跌落发生时，控制风力机变桨来降低风能，减小发电机定子的输出功率；或者在直流侧增加crowbar保护电路，给多余的电流一天旁路通道，并配合网侧变流器，保持直流电压的恒定。
　　4.结束语
　　风能发电是大势所趋，风能电力在国家电网供电中呈逐年上升趋势，因此，必须提高电网故障电压跌落时，低电压穿越能力，这不仅是衡量电网的最重要的技术指标，而且是保障风力发电顺利发展的基础。