简述风力发电低电压穿越技术

宋振宇 张镇浩

摘 要：近几年，风力发电的比例在总供电量中已经占很大部分，加之风力穿透率的增加，风力发电很大程度影响了区域性电网的稳定。当电网出现问题引起电压跌落时，为了解决这个问题解列风力机组将导致系统的不稳定甚至整个系统的崩溃。所以在这个背景前提下，低电压穿越技术受到广泛的关注。本文首先描述了目前我国对风力发电低电压技术的有关规定，然后分析了不同类型的风力涡轮机在电网电压下降时的特性，最后对不同机型的差异进行了详细分析。

关键词：风力发电;低电压;穿越技术

当今世界风力发电厂高速发展，在一些发达国家中，风力发电在国家电网中的供电份额非常高，在某些国家和地区，虽然风力所占的比例较大，但也有相应的一些弊端出现。就是通过风力进行发电的故障产生率也相对较高。所以，在风力发电的过程中，必须考虑风机的工作情况以及对电网产生的影响。基于此，很多国家也都对风力发电提出了更加严格的要求，而风力发电低电压穿越技术对于此问题来说是一项有效的解决方法，同时也是风电机的设计中最为困难与复杂的难点。低压穿越技术是指在风机接头出现电压降现象时，风机仍然可以保持与电网的连接，甚至可以向电网提供一定量的电力来支持电网的复原，也可以直接坚持到电网恢复正常。 电压骤降不可避免地会给电动机带来相应的暂态过程，如过电压、过电流或速度上升等情况，严重的情况也会影响风机和风机控制系统的平稳运作。 大多数情况下，如果是电网故障，风机将实施被动自保护方案，即立即解列，从而保证风力发电机的正常运转，因为电网的穿透概率比较低，但风的占比如果在整个电网中占据大部分，整个风力发电的系统将出现严重的故障，并且难以修复，更有甚者，会导致整个风力发电系统的瘫痪。低电压穿越技术在风力发电的过程中，可以起到使风场中的电网高效稳定运转的作用，所以低电压穿越技术受到大力的推广。目前，在市场中，比较常见且普遍的风力发电机有三种，一是直接并网定速异步风力发电机二是同步直驱风力发电机;三是双馈异步风力发电机。

一、低电压穿越技术功能介绍

低电压穿越技术在电网电压下降时要求并网风机仍能保持运行，根据对穿越技术需求的不同，不同国家和地区有不同的要求，例如欧洲的德国、各地区风机机密度相对较高，因此对该地区的低电压穿越技术风力机组的要求很高。

二、定速异步机穿越技术

（一）定速异步机跌落暂态现象

首先，定速异步机定子直接与电网相连，如果电压下降，风力发电机的定子电压也会下降，这种不对称会导致负序的分量变化，转子的转差会大，电势会依据转子转差大小发生变化，转差大转子电势相应变大，最终形成更大的转子电流。

（二）定速异步机穿越技术实现

在电压降的过程中，发电机主要是由于电磁转矩变小而导引起转速的提高，因风力机的整体结构比较简单，所以采用变桨控制技术是最直接的方法，是在检测到电网故障后快速变桨使输入的机械转矩变小，从而使转速平稳。由于风机桨叶的大惯性，变桨控制对风机变桨性能有很高的要求。因此，应首先安装静态无功率补偿器，始终为各种功率水平提供无功补偿。其次，采用静止同步补偿器对电网电压进行调整，有效地改善了恒速异步风机穿越技术。

三、同步直驱式风力发电机

（一）同步直驱式风力发电机暂态现状介绍

与定速异步风力发电机不同，同步直驱式发电机和电网不是直接相连的，而是通过背靠背式的双PWM变流器间接链接电网，电网的输出功率会变低在电网电压迅速降落时，发电机的输出功率会短暂的维持稳定，所以此刻输出、输入功率不同，这个过程中，直流母线电压会迅速增加，它的上身会使PWM变流器不能正常运行。如果为了维持电压的稳定去采取某些措施，就很可能增加电网输出的电流，从而导致变流器不能平稳运作。

（二）同步直驱式风力发电机穿越技术实现

通过同步直驱风机暂态现象的分析可以明显的看出电网电压跌 落的主要原因是风力发电机输入功率和输出到电网的功率不一致，进而导致电网侧的 AC/DC、DC/AC 变流器出现过电流或者是直流侧的母线过电压现象，总的来说是同步直驱式风机穿越技术实现的关键点就 是保证电网电压跌落时输出输入功率一直，比较普遍的解决办法有两 种：一种是通过较小风力发电机的输入功率来实现，当电压跌落时， 控制风机变桨来降低风能吸收能力，发电机定子输出功率，让系统功 率得到平衡，上面也提到这种方法的操作难度比较高，同时相应较慢; 另一种是在直流侧增加 crowbar 来保护电路安全，电网电压跌落会吸 收多余的能量，同时通过和变流器的结合保持直流电压的稳定，这样 风力发电机就能够安全的运行。

四、双馈异步式风力发电机

（一）双馈异步式风力发电机暂态现象介绍

双馈异步发电机就目前来说，是常见并且应用最普遍的发电机，双馈的含义是由两个机件同时发出电能。这两个机件分别是发电机中的定子和转子。这两个机件都与电网相连，并且与电网存在相应的电能交换。

双馈异步发电机在发电过程中通过能量的转化进行能源的产生，由其中的叶轮转动，将风能转化为机械能，通过齿轮箱进行加速，把产生出的定子和电能量传输到电网中。如果电网存在故障，如变流器的功率不一样，或者电网不相对称的时候，电机也会产生相应的故障，进而导致风力发电机齿轮箱等其余部件的安全平稳运行，风力发电机的使用质量也会受到相应损害。

（二）双馈异步式风力发电机低电压穿越技术实现

实现双馈风力发电的目标必须具备以下几点要求，第一，在电网出现一系列问题时，保护电网和电压不能出现故障问题。第二，齿轮箱作为重要的零件机组，在电网故障时避免对齿轮箱进行损坏。第三，随着我国科技的不断进步，发电的范围也不断扩大，但是，风力发电的电能供应缺失以及电能源的分布不均衡，导致电网的不稳定，容易产生故障。因此，应加速LVRT的标准。以上就是实现双馈风力发电的必备要求。

通过双馈电机进行风力发电控制，这种技术形态相对单一，不能获得有效的故障控制，使电压解耦不能实现平稳运行;其次，双馈异步发电机在出现故障后悔发生改变，使其中的机件组织准确性缺失，難以进行故障的维修。所以为了使系统的控制能力得以提升，减少相对的震荡状况，在发生故障时，应该将其中的定子和电网的连接进行分割，实现双馈异步发电机和电网的稳定运行连接，修复故障，达到正常的工作状态。

五、结论

近几年，风力发电的比例在总供电量中已经占很大部分，加之风力穿透率的增加，风力发电很大程度影响了区域性电网的稳定。当电网出现问题引起电压跌落时，为了解决这个问题解列风力机组将导致系统的不稳定甚至整个系统的崩溃。所以在这个背景前提下，低电压穿越技术受到广泛的关注。本文也对风力发电技术等进行了一些列的分析，旨在为我国风力发电技术提供一些新的思路与建议。

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