风力发电机组故障穿越问题综述

张艳生

摘要：风电在我国新能源发电中占有重要地位，对我国电力供应具有重要意义。但在设备使用中，由于各种因素的影响，设备的频率及电压不可避免地会超出正常使用范围，导致设备在异常电压与频率范围内工作，这就要求风机具有一定抵抗能力，以确保风机的故障穿越能力。

关键词：风力发电机组;故障穿越;问题

随着风电在电网中所占份额的增加，风电在电力系统中的作用及地位也在发生变化。风电与电网的相互影响不容忽视，特别是在电网故障时，风电对电网的影响更不容忽视。基于此，本文重点分析了风力发电机组故障穿越问题。

一、风力发电机组简介

风力发电机组包括风轮、发电机;风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成;它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成。

风力发电机组发电时，要保证输出电频率恒定。这无论对风机并网发电还是风光互补发电都非常必要。要保证风电的频率恒定，一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因发电机由风力机经传动装置驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这种方式会影响到风能的转换效率;另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。

二、风电机组故障穿越概念

世界各国标准对风力发电机故障排除能力的定义基本相同。其基本内容可概括为：根据标准要求，设备能保证连续运行而不会离网，并能顺利过渡到正常运行。通过对国家标准的研究，发现缺陷騎行包括低、高压骑行。当前，澳大利亚等国家/地区有明确的HVRT标准，但在我国尚属空白。目前，所有国家/地区都对LVRT电网连接法规有明确要求。

三、电网故障对不同风电机组的影响

目前，市场上的主流风电机组包括直接并网的失速型定速异步风电机组（FSIG）、双馈异步风电机组（DFIG）、直驱永磁同步风电机组（PMSG）。

1、FSIG在电网故障下的暂态现象。FSIG发电机直接连接到电网，这种较强的电压和频率耦合使电网故障直接反应在电机定子电压和转速上。当电网故障时，导致定子磁链出现直流成份;当不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流分量和不对称故障产生的负序分量将产生较大的转差，从而产生较大的转子电势和转子电流。此外，在电网故障过渡过程中，电机电磁转矩会出现较大波动，对传动系统的齿轮箱等部件产生较大的机械冲击，导致部件损坏或机组寿命缩短。并且电网故障还会降低定子电压，风电机组输出功率也跟着降低，必然导致发电机转速的上升。转速的上升会增加风电机组从系统吸收的无功功率，进一步恶化电网电压的恢复，严重时将导致系统的电压崩溃。

2、DFIG在电网故障下的暂态现象。对DFIG而言，电网电压的跌落会导致风电机组转速上升，对传动系统造成机械冲击。在电网电压跌落瞬间，发电机定子上的大电流，必然引起转子侧较大的感应电流。而在电网电压恢复瞬间，因DFIG从电网吸收无功功率来恢复气隙磁链，导致定子侧注入较大的浪涌电流，造成发电机电网侧电压的降低。另外，DFIG转子侧由于采用了小功率变流器并网，变流器过流能力和DC环节的过电压能力都非常有限，需在电压、电流和有功功率控制之间要很好地匹配，以保证功率器件不被过电压、过电流损坏并保证直流侧电压在合理的范围内。可见，双馈风电机组在故障期间的暂态行为较复杂，实现DFIG风机的故障穿越能力相对而言较难。

3、PMSG在电网故障下的暂态现象。对PMSG而言，发电机经AC-DC-AC全功率变流器与电网相接，发电机输出侧与风电机组的电网侧已被“频率/电压解耦”，风机的故障穿越能力等并网特性主要跟变流器有关。当电网电压跌落时，因电网侧逆变器电流不能突变，注入电网的有功功率迅速减少。为传送等同的有功功率，逆变器应增加输出电流，但电压跌落到一定深度时，因回路电流不可超过逆变器IGBT能承受的最大电流，注入电网的有功功率受到限制。这样必将导致DC电容输入功率大于逆变器注入电网的输出功率，DC电容电压上升，影响系统的正常运行，甚至导致部件损坏或更严重的后果。可见，直流侧过电压是因DC回路输入、输出能量的不平衡引起，释放这一部分多余的能量是保证直驱风机故障穿越能力的根本途径。

四、风力发电系统故障穿越能力的重要性

1、在电压控制方面。在风力发电过程中，涉及到多种类型及型号的风力发电机组，每台风力发电机组在发生穿越性故障时对功率、电压和无功功率的影响存在一定差异。另外，在故障期间，有各种补偿相关设备进行电压补偿，以确保设备在正常电压下正常工作。因此，在故障穿越过程中，要确保补偿设备能根据当时故障环境，有针对性地、及时地、有效地采取措施，确保系统在出现问题时保障系统潮流分布，由此可见，故障穿越能力在电压控制中起着重要作用。

2、在风力发电系统规划中。在设计风力发电规模及规划时，必须严格参考故障穿越能力进行风力发电规模及风力发电系统的相关规划，确保风电机组在工作中出现穿越性故障时，故障能顺利穿越，保证机组正常工作。由此可见，风力发电的故障穿越能力在整个发电工程中占有重要地位。

3、对发电系统稳定性的作用。在整个风电机组工作中，若无很好的故障穿越能力，一旦发生故障，多台机组将一并脱网，对整个供电系统产生巨大压力，甚至使整个发电系统瘫痪，造成重大后果。此外，当无故障穿越能力的机组发生故障时，由于电压突然下降，风电机组将进行自我保护，进一步降低整个工程电压。由此可见，故障穿越能力对整个发电系统具有重要意义。

五、提高风力发电机组故障穿越能力的措施

随着风力发电能力的不断提高，世界上许多国家/地区都需风力发电机组的除尘能力。目前，国内外对如何提高风电机组的故障行驶能力进行了大量研究。先分析了制动电阻对风力发电系统的影响。在系统故障情况下，分析了与变速双电源风电场升压变电站相连的低压站及双电源风电机组机械级制动电阻的影响。无论制动电阻接至风电场升压变电站低压站还是风电场各单元端子，都能提高风电机组的故障穿越能力，有利于风电机组的暂态稳定。当制动电阻连接到故障发电机端时，将制动电阻器连接到风电场升压变电站的低压站比改进方法更好。

为提高发电机组的故障穿越能力，必须根据不同风电机组特点，采取相应的针对性措施进行适配性改进。

为提高定速异步风力发电机组的故障穿越能力，对一些附加设备措施及相关技术进行改进。通过相关技术，使用一套完整的SVG对电网与发电机组进行串联工作，以防止故障过程中，定子由于故障问题导致电流及电压的巨大逆转而损坏发电机组部件。

为提高双反馈异步发电机组的故障穿越能力，主要是根据跌落的电压差判断采用哪种设备进行电机组保护。对于电压差较小的，可通过一定技术手段控制，无需引入设备。对于电压差较大或适中的，应采用技术与设备的双结合，主要是投入变流器直流侧电路使用，并采取一系列相关的技术调控手段，保证电压稳定，防止因电压差过大而损坏设备部件，从而大幅提高发电机组的故障穿越能力

为提高永磁风电机组的故障穿越能力，当永磁风电机组发生穿越故障时，主要是由于发电机组工作中相关故障原因导致电网两侧能量不平衡，长期积累导致设备部件损坏。因此，在处理此类设备时，主要是平衡电网两侧的能量差，在控制过程中，主要通过正负双电流内环独立控制策略来协调电网两侧，以此提高故障穿越能力。

参考文献：

[1]唐斌伟.风力发电机组故障穿越问题综述[J].电力系统保护与控制，2016（19）.

[2]高晓华.风力发电机组故障穿越问题综述[J].湖北农机化，2020（10）.