高压变频器在风力发电系统中的应用研究

2020-08-19周建庭

电力与能源系统学报·中旬刊 2020年2期

周建庭

摘要：本文针对当前在风能发电系统中的特种设备之一——高压变频器的技术方案进行了阐述，并分析了当前变频器中所存在的问题，最后对高压变频器在风力发电系统中的应用进行了说明，为我国的风力发电技术提供一些技术支持。

关键词：特种设备、高频变压器、风力发电系统、变频技术、低电压穿越

引言

当前，发电系统除了火力发电外，还有风力发电、水力发电、核能发电能。由于火力发电需要消耗地球上大量的煤炭资源，而且所产生的气体和粉尘会污染大气。因此，以风力发电等为代表的清洁能源得到了快速的发展。在风力发电系统中，如果电网的电压出现短路时，会造成风电机脱网，继而损坏发电机和变流器等设备，严重的情况下会破坏整个电网的运行。因此，高压变频器的作用就非常大，它是决定电网安全运行的关键设备之一。因此，加强对高压变频器的技术研究，对于保障风机机组和电网的安全运行有着非常重要的意义。

现阶段风力发电系统中变频器的技术方案

在现阶段，风力发电系统中变频器采用的技术方案多为低电压穿越。整个风电厂的机组只有具备一定的低电压穿越技术，才能在电网发生故障时顺利地穿越故障，避免故障给整个机组的运行带来障碍。低电压穿越技术，顾名思义，就是在风力发电机并网点的电压迅速下降的时候，机组中的设备仍能够工作，维持系统的并网，甚至可以向电网提供一定的无功功率，以促进电网的尽快恢复。目前常见的低电压穿越技术采用的技术主要是主动或者是被动撬棒的电路。在低电压穿越电路中包含了风力发电机和电网之间的机侧变频，以及网侧变频器，同时还有风力发电机转子侧的撬棒电路。在该技术中，通过撬棒电路来实现低电压的穿越。

为了提高风电机组的低电压穿越能力，必须根据当前使用的主流风电机组的双馈感应发电机的运行特点进行分析，对电网在故障发生和故障恢复的过程中进行研究，并指定对应措施消除或者尽可能地减少在不离网控制的基础上将对机组的损害降到最小。

3 现阶段风力发电系统中变频器存在的问题

在双馈感应发电机的电压瞬间下降的时候，定子磁链由于不能跟随着定子端的电压突变而变化，就会产生直流分量，这样就带来定子和转子之间的大滑差，从而造成转子绕组的过流和过压。过流会造成转子励磁变流器的损坏，过压也会使得发电机的转子绕组绝缘会击穿。因此，为了确保风电机组运行的安全可靠，必须要保护好发电机的励磁变频器，对机组的过压和过流进行保护。

在上述的低电压穿越技术中，由于撬棒电路中的电阻阻值不能进行调节，当电网中的电压出现急剧的下降时，就会造成电流过大。由于发电机组的发电量是随着电网中消耗的总量而有所波动的，因此不能及时地调节转子侧的过电压和过电流，并且不能对电网进行无功支撑，这样就会造成电路的频繁切入，使得发电机的运行不稳定。并且，由于转子的绕组与撬棒电路和变频器是并联关系，当撬棒电路被触发撬动时，在机组中的绝大部分过剩功率就会被撬棒电路消耗掉，从而引起风电机组不能及时向电网提供无功功率，这就在出现故障时不能发挥作用，使得电网的恢复遇到障碍。

4 高压变频器在风力发电系统中的应用

为了杜绝上述出现的问题，为风电机组提供一个安全可靠的运行环境，在风力发电机系统中使用高压变频器。该应用的具体方案为：在系统中使用双馈发电机，并将其作为整个风力发电系统的核心部位，转子通过变频器和电网相连接，定子通过并网开关和电网相连接。当发电机在低于同步转速值下进行发电工作时，通过转子的转动，从电网中吸收电能，而定子进行电量的输出，并通过电路系统将电量输出给电网。当发电机在高于同步转速值的情况下进行工作时，此时定子和转子均同时向电网输出电力。

在该系统中，撬棒电路和吸收电路构成了电路的主体。其中，三相整流桥、大功率泄放电阻和选择开关构成了撬棒电路。三相整流端和发电机的转子的输出各端口是相连的。在该发电系统中，设置了几组电阻和可控晶体管。它们的作用是用于吸收转子侧的过剩能量。

该系统工作的原理为：撬棒电路交流侧和发电机转子绕组的出现端相连接，直流侧和变频器的直流母线相连接，而且每组可控晶体的控制端全部连在同一个控制器上，这样就可以对变频器的直流母线电压进行测量，并将所测得的数据传递给控制器。控制器的作用就是根据接收到的母线电压值大小来自动分配每条线上的可控晶体管的导通时间，以此来调节撬棒电路中的最终电阻值，最终实现直流母线上电压值的调节，以此来保证系统中的电压值处于规定的范围内。并且通过高压变频器对电网输出无功功率，以促进电网电压的尽快恢复。

具体的控制方法为：当电网中电网在急速下降的瞬间，对变频器的直流母线电压和撬棒回路的直流侧电压进行同步测量。如果所测得的高压变频直流母线电压值大于耗能电阻的触发电压，就会将开关管导通，此时耗能电阻将系统中的过剩能量进行吸收，并通过对开关的通电时间来控制直流母线电压值，防止其升高，最终控制在规定的范围内。在撬棒回路的直流侧电压值如果一直增大到超出触发电压时，将断路器进行闭合，且将选择开关进行导通。在撬棒回路中，电阻将转子侧的过剩能量进行消耗，并抑制高压变频直流母线的电压值变大。如果撬棒回路中的电压值一直上升并且超出回路中触发电压的一定值时，选择开关会进入导通的状态，将断路器断开，由撬棒回路将转子多余的能量进行消耗。从而使得撬棒直流侧中的电压值不断下降，并最终回落到小于回路中的撬棒电压值。此时选择开关进行断开，将撬棒回路断开。

总的来说，当系统中由较大的能量剩余时，由撬棒回路来消耗转子的多余能量，达到對电路中电压值的调节，从而实现系统中风机设备的运行稳定性和安全。

5 结语

本文通过对高压变频器在风力发电系统中的应用进行了探讨，提出了低电压穿越的控制，并结合双馈风力发电机系统的应用，能够大幅度提高系统对直流母线电压的调节灵敏性，不仅保障了系统运行的稳定性，也增加了电网的故障抵御能力。

参考文献：