双馈风力发电机低电压穿越技术综述

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

双馈风力发电机低电压穿越技术综述

孙云鹏 ，谢冬梅

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

随着风力发电装机容量的不断扩大，具有低电压穿越能力(LVRT)已逐步成为风电场的要求。本文在目前国内外学者研究的基础上进行分析与总结，以期为风力发电系统中的系统低压穿越技术的研究提供支持。

风力发电 ；电网电压跌落 ；低电压穿越技术

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电在清洁能源与可再生能源中是发展前景最好的发电方式之一，风力发电的开发技术已经很成熟了，它对环境的破坏也是最低，在开发成本上降低的最快，开发的条件成熟，运行也较为灵活。根据国家能源局发布的《可再生能源发展“十三五”规划》，到2020年末，累计并网装机容量必须要提升至2.1亿千瓦，除此之外，海上风电并网装机容量必须提升至500万千瓦;风电年发电量应提升至4200亿千瓦时，这个数值大约为全国发电总量的6%。

本文就当前的双馈式恒频风电机组风电系统中的LVRT技术进行综述，以期对低电压穿越的工程的实现提供支持。

1 低电压穿越技术的技术要求

国家电网公司召开的“促进新能源发展工作会议”上，发布了《国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）》，以规范风电并网，促进风电行业的发展。其中对风电机组低电压穿越能力做出了详细的要求，当风场并网点电压在图中的电压轮廓线以下的时候，场内的风电组是允许从电网中切除的，反之场内风电机组则必须保证不断并网运行。

规定的风电场的低电压穿越的要求为以下几点。

（1）在风电场的风电机组的并网点电压降到额定电压的20%时可以保持并网运行625ms低电压穿透的能力。

（2）在风电场的并网点的电压发生跌落后的3s中可以重新回到额定电压的90%时，其风电机组可保持并网运行。

2 低的电压穿越技术保护方案

2.1 改进矢量控制策略

2.1.1 控制策略的概况

网侧的换流器以STATCOM模式工作时，系统发生电压跌落的时候，为系统提供动态的换流器无功支撑，风机侧的换流器就会以恒定的功率因数的方式工作，功率因数则是认为预先给定，从定子侧像电网发出无功功率。若直流的母线电容达到稳定值后，且工作状态为放电的状态，则可以为换流器供电。

2.1.2 网侧换流器的控制策略

设定电网和网侧的换流器之间没有无功交换，这是一般的矢量控制策略。但是在故障时为给完成风机的LVRT，则电网需要网侧换流器对其进行一些无功补偿，如果只是靠人工主动的去设定补偿的量，当故障的情况比较复杂的时候，响应速度肯定会受到很大的影响，鉴于此，对一般传统的矢量控制改进是十分必要的，DFIG的网侧换流器的结构与STATCOM非常类似，所以在系统的电压产生跌落的时候，可以让网侧换流器以STATCOM状态进行工作，让网侧换流器根据电网的电压去调节无功的发功量。

网侧换流器的等效电路可推出三相静止坐标下的电压方程：

式中：uga、ugb、ugc表示电网三相电压；ua、ub、uc表示网侧换流器的三相电压；ia、ib、ic表示网侧换流器的三相电流；Rg、Lg表示网侧换流器串联的电和感和电的阻和。

由派克变换可以得到同步旋转坐标系下的网侧换流器的电压方程：

式中：ugd、ugq表示电网电压的直轴、交轴分量；ud、uq表示网侧换流器电压的直轴、交轴分量；id、iq表示网侧换流器电流的直轴、交轴分量；ωs表示同步角速度；p表示微分。

得到的换流换器的直流侧电流的方程为：

式中：udc表示直流母线的电压；C表示直流母线的电容；idcs表示网侧换流器的直流电流；idcr表示机侧换流器的直流电流。

若忽略换流器的损耗则有：

式中：m表示网侧换流器的调的制的系数。

由(3)、(4)式可以得到：

由(2)、(5)与机端电压—无功电流变换控制方程，可以得到网侧换流器的控制方程：

式中：Kip表示电流内环的比例调节的额增益；Kil表示电流内环的积分调节的增益；Kup表示电压外环的比例调节的增益；Kul表示电压外环的积分调节的增益；Ksp表示机端电压变换为无功电流的比例调节的增益；Ksl表示机端电压变换为无功电流的积分调节的增益；各量右下角的ref表明该量为参考值。

2.2 转子短路保护的技术

保护转子短路可以在发电机转子侧边装Crowbar电路，当检测到电网的电压发生大幅电压跌落的时候，对双馈感应发电机的励磁交流机产生闭锁，与此同时投入转子回路旁边的保护机制，从而限制励磁交流器的电流大小以及转子的绕阻的电压作用，以达到维持发电机不断网运行的目的，这时双馈感应发电机以感应电动机的方式进行运行，这是当前的风电制造商常用的方法。

Crowbar的电路有下面几种。

（1）IGBT型的Crowbar电路，一个桥臂都有两个二极管，且二极管串联，直流侧则增加一个吸收电阻和一个IGBT器件。

（2）混合型的Crowbar电路，一个桥臂也有两个二极管串联以及还有控制器件组合。

电网发生电压跌落导致转子的电流会突然增大，当增大至越过之前设定转子电流的限定值的时候，IGBT会被主动激活以保护电路的开通，于是Crowbar电阻则会等效的接入双馈电机的转子回路之中，而故障时候的电流则通过Crowbar电路流通，避免了电流直接通过变换器，与此同时闭锁了PWM变换器，做到了对转子侧的PWM变换器的保护，之后双馈电机以类似鼠笼式的异步发电机的运行转台从电网中获得部分的无功功率，一旦转子的电流正常时，IGBT则关闭保护电路，双馈电机重新回到正常状态中。

（3）有旁路电阻的Crowbar电路（如图1所示）出现电压跌落时，可以为该期间将会提供通路，以解决可能会出现的大电流的情况。用这样的电路，在电压跌落与恢复的时候，可以保持转子与转子侧变流器保持正常的连接，消除故障之后只需要切除旁路电阻便可以迅速使系统恢复正常的运行，旁路电阻可以有效限制转子侧大电流又可以避免过电压。

图1 带有旁路电阻的Crowbar电路

但是Crowbar电路也存在一些缺点。

（1）成本增加，因为需要增加一些新的保护装置。

（2）电路故障时，虽然保护了转子绕组与励磁变流器，但是同时以感应电机方式运行的机组却从系统中吸收了很多的无功功率，这样会增加电网中电压的不稳定性，且一般传统的Crowbar保护电路也会对系统产生冲击。

3 结语

风力发电系统是一个庞大的系统，包括集成化高、控制较为复杂以及结构具有庞大性。在电网电压发生跌落的程度较轻的时候，可以通过对系统的控制策略进行相关的改进，便可以有效的提升风电系统的低电压的穿越的能力，这是在不增加硬件的条件下。一旦电压的跌幅较大，此时便必须要通过增加硬件的方式，再跟之前的控制策略进行配合，综合协调就可以实现风电系统并网中的LVRT的要求。

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