关于直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的思考

孙嘉

摘 要 随着风力发电机组装机容量的不断提升，各国在电网准则中对风力发电机组的低压穿越能力提出了更高要求。本文根据以往工作经验，对直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的常见类型进行总结，并从电压跌落、三相对称跌落中网测变流器分析、直驱型风力发电系统低压保护、无功支持控制策略四方面，论述了直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的实现方式。

关键词 永磁风力发电系统；低压穿越技术；无功支持

前言

人类社会的发展离不开能源支持，随着工业生产技术的进步，世界各国对能源的需求量正在逐渐增加，导致不可再生能源的消耗速度越来越快。站在可持续发展角度考虑，人们需要对一些清洁能源、可再生能源等进行深入研究，避免能源枯竭，提高地球环境质量。最重要的是，可再生能源能够实现资源的循环利用，从而实现国家发展潜力的有效提升。

1 直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的常见类型

1.1 撬棒电路

撬棒技术最早出现在双馈式风力发电机组之中，主要的作用是对转子变流器提供保护作用。撬棒电路在一般电路中主要起转子短路保护作用，该电路可直接接入到转子的绕组当中，避免电流和电压出现过高情况。一般来说，电网在发生故障之后，应紧急启动撬棒电路，此时转子侧等转换器便会退出运行。当故障完全被消除之后，撬棒电路会被切出，为系统正常运行提供基础条件。在直驱式风力发电系统中的撬棒电路与机组中的应用方式大致相同。目前，国内外有很多学生对低压穿越技术进行了研究，其中常用的研究方案包括以下几种类型：第一，在发电机的定子侧增加电阻阻值；第二，在电网侧加入保护电路；第三，在母线上接入还能单元；第四，在直流母线上安装储能单元。

1.2 发电机定子侧增加保护电路

在发电机定子侧保护过程中，相关工作人员最先想到的便是将撬棒保护方案加入到定子层的发电机中，形成卸荷电路。一般来说，卸荷电阻可通过功率开关与发电机的定子侧相互连接。该电路的工作原理如下：当发电机的功率增加时，其中一部分功率会经过功率开关器输送到交流器之中，此时将卸载电阻投入其中，可分担一部分能量，从而保证功率输出和输入的平衡。在这种方案应用过程中，可在风速过大和电网电压跌落后，维持风电系统的正常运行[1]。

1.3 电网侧保护电路

电网侧的保护电路以交流开关的保护电路为主，该电路的工作原理如下：当电网电压正常运行中，风力发电机组中绝大多数输出功率将会到负载上，多余的则会被电网所吸收，当机组输出功率不足时，负载也会将电网中的一部分力量传递给机组。另外，在电网出现故障之后，工作人员可通过交流开关控制实现负载与电网之间的有效连接。此时如果电网是风力发电机组，只需要对负载电压进行调节即可，整体工作并不会受到电网故障的影响。当电网故障修复之后，可将交流开关进行闭合，此时风力发电系统便会重新被启动。

1.4 直流侧保护电路

经过大量的实验研究，在直流侧添加撬棒电路是最常用也是技术最完善的一种方式。这其中包括卸荷电阻功率器件与直流侧相连，这种方式由于连接简单，所以应用频率较高。其次是卸荷电阻经降压电路与直流侧相连。当整个系统正常运行时，撬棒电路处于不工作状态，一旦有电压跌落等故障出现时，撬棒电路便会被启动，去消耗电网中的多余能量，直线直流侧和电网之间的功率平衡，为母线电压提供安全与稳定。上述两种方案均具备较高的可靠性，但也存在很多缺点，如负载容量较大等，需要对散热工作进行进一步处理。针对上述两种电路中存在的不足，人们在电路中又加入了一种能量储存装置，利用双流向的电力电子变流器为能量平衡制造条件。假设当电网电压出现跌落问题时，部分多余的能量将会储存在各种储能设备之中；另外，当直流侧的电压供给不充分时，可将储存中的电量释放出来，为电网提供有功功率。该方案的优势较为明显，可对直流侧的电压稳定提供基础，不会出现能源的过度浪费。但也存在一部分缺点，那便是设备成本过高，整体结构也变得更为复杂。

2 直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的实现方式

2.1 电压跌落

电压跌落主要指电网电压在短时间内骤然下降，一般来说，这种情况的持续时间会在0.5到30个周波范围内。但在实际定义过程中，人们对电压跌落的定义进行统一。在对电压跌落进行分析过程中，会将跌落电压的均方根值与额定电压的均方根值进行比较，并将它们的比值称之为跌落幅值，将跌落从发生到结束过程中所经历的时间称之为持续时间。在电压跌落现象发生之后，往往会引发电压相位的突然改变，这便是人们常说的相位跳变。另外，在电压跌落过程中，所引發的原因也存在很大区别，主要原因包括以下三部分内容：电网故障所引起的电压跌落、发电机故障所引起的电压跌落和电机运转速度过快所引起的电压跌落。在电网故障之中，电压跌落和恢复的时间十分短暂，而在其他电机启动所引起的电压跌落之中，其恢复的时间就会较长，通常在几秒钟左右。在跌落的起始阶段之中，由于整体受到惯性作用，使其产生了电压源的作用，从而降低了电压的跌落时速[2]。

2.2 三相对称跌落中网测变流器分析

在直驱型风力发电系统中，发电机会通过全功率变流器实现与电网的完全隔离，在电网电压出现跌落问题时，如果采取变流器整合措施，便可以使风力发电机的运行不会受到故障影响，从而实现低压穿越技术的合理使用。因此，当直驱型风力发电机系统处于三相对称跌落时，需要对系统网测的变流器进行合理分析，其中运行状态分析最为关键。在变流器使用过程中，变流器的种类有很多，其中常用的有背靠背变流器和转子层变流器等。对于背靠背变流器而言，直流母线主要作用于变流器和主网测之间的能量缓冲。从理论上来说，如果网侧变流器在瞬时电流值上与转子侧的变流器相同，那么通过直流电容器中的电流将会为零，此种情况便不会引起直流电压出现波动。但在实际风力发电系统运行过程中，网络变流器具有延迟性，这让网侧变流器中直流电流和其他变流器中的电流很难进行匹配。

2.3 直驱型风力发电系统低压保护

随着风力发电系统的不断完善，以及人们对风力发电要求的不断提升，风力 发电低压技术受到了人们的格外关注。结合以往的文献研究，风力发电机的低压穿越技术只要包括以下几种：第一，在直流母线中接入耗能单元，当母线电压过高时消耗掉多余能量。第二，在母线中设置储能單元，将母线中的多余能量进行转移。第三。在网侧中并联一个电力电子辅助变流装置，在电网出现跌落故障之后，利用该装置进行能量转移。在此过程中，基于耗能Crowbar的过电保护方案最为常见。在应用过程中，该保护方案可以通过卸荷电阻实现功率件与直流侧的相互连接。由于Crowbar的保护，电网对永磁发电机的影响几乎可以忽略不计，但在电网恢复过程中，直流母线将会对电压机侧的轴电流产生轻微影响，但对电网整体的影响并不大。除了变流器的安全之外，电压跌落会消耗一部分能量，此时采用Crowbar保护电路，不仅操作简单，而且具有较强的可靠性[3]。

2.4 无功支持控制策略

在直驱型永磁风力发电系统低压穿越技术使用过程中，电网电压会出现大量的无功需求，与此同时，电网可能还会对风点系统提出像火力发电厂一样的要求，方便对功率因数进行输出，并将功率因数控制在一定范围之内，还能在电网出现故障时向电网提供无功功率，对系统电压进行合理调节。通过以往研究经验可知，电网电压的控制网变流器可实现对无功有有功的各自调节。因此，当电网出现故障之后，可在风险系统结构中的电网侧交流器提供静止无功补偿，实现对电网的无功支持。总的来说，网侧变流器无功补偿措施有很多，无功电流也会通过PI调节器获得定值，当参考电流较小时，可利用电压外环进行调节。

3 结束语

综上所述，风力资源是清洁的可再生资源，风力发电也是目前新能源技术中最为成熟的项目之一。目前，人们对风电在能源中的调整作用越来越重视，并研究了很多新型技术。低压穿越技术可根据风能的捕捉特点和风机的运动方式，对相关模型进行建立，为人们对风能利用的进一步研究提供基础，有利于我国可持续发展战略的实施。

参考文献

[1] 左剑，张廷营.直驱永磁同步风机接入对电力系统小信号稳定性的影响分析[J].机电信息，2017，（36）：114-116.

[2] 周小壮，王孝洪，HOANG THI THU GIANG.永磁同步风力发电系统的分数阶比例积分控制算法研究[J].电机与控制应用，2017，44（07）：92-97.

[3] 唐东成，张晓亚，任瑾.基于精确线性化的永磁同步风力发电机滑模控制[J].自动化应用，2017，（06）：159-162.