風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述

張海峰 河北新天科創(chuàng)新能源技術(shù)有限公司

當(dāng)前風(fēng)電市場發(fā)展速度非常迅猛，我國風(fēng)電場的裝機(jī)容量逐漸增加，為我國能源問題的解決提供了巨大的助力。在發(fā)達(dá)國家，新能源的利用更是占據(jù)了國家電網(wǎng)供電比例的半數(shù)以上。例如丹麥的僅風(fēng)力發(fā)電一項(xiàng)就占電網(wǎng)供電總量的20%，對于國家電力系統(tǒng)的運(yùn)行影響巨大。在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)中，技術(shù)問題難非常多。這是由風(fēng)力發(fā)電的基本原理和性質(zhì)決定的。其中風(fēng)力發(fā)電的低壓穿越能力是并網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。通過低壓穿越技術(shù)的突破，能夠促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的大規(guī)模應(yīng)用。

一、低壓穿越技術(shù)概述

在電網(wǎng)發(fā)生故障是，會造成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落情況，此時(shí)如果繼續(xù)保持并網(wǎng)狀態(tài)，就會對風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的恢復(fù)造成不良影響。如何解決電壓跌落時(shí)的并網(wǎng)問題，輔助電網(wǎng)恢復(fù)是風(fēng)力發(fā)電低壓穿越的主要研究內(nèi)容。風(fēng)機(jī)電機(jī)會出現(xiàn)暫態(tài)，通常會表現(xiàn)為過電壓、過電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升等情況，對風(fēng)機(jī)造成嚴(yán)重的損害，甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)電控制系統(tǒng)和設(shè)備的損壞，嚴(yán)重風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。在風(fēng)電占據(jù)電網(wǎng)比例較小時(shí)，出現(xiàn)低壓跌落可以通過解列完成風(fēng)機(jī)的保護(hù)[1]。風(fēng)電占據(jù)電網(wǎng)比例越大，解列造成的電網(wǎng)影響就越大，大規(guī)模的解列會提高電網(wǎng)恢復(fù)難度，甚至造成電網(wǎng)故障家居，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使更多并網(wǎng)風(fēng)機(jī)解列，造成電網(wǎng)崩潰。解決風(fēng)力發(fā)電低壓穿越，使其成為電網(wǎng)故障恢復(fù)的助力是風(fēng)力發(fā)電規(guī)?；褂玫募夹g(shù)關(guān)隘。

二、定速異步風(fēng)機(jī)與雙饋式風(fēng)機(jī)的暫態(tài)

在定速異步風(fēng)機(jī)中，電網(wǎng)從低壓跌落到恢復(fù)正常，短時(shí)間的過電流不會造成其鼠籠式轉(zhuǎn)子燒毀，但是雙饋式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)存在AC/AD/AC 變化器，低壓跌落造成的過電壓和過電流對電子元件傷害較大，因此，雙饋式風(fēng)機(jī)的低壓穿越技術(shù)更為困難。在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，定子側(cè)直接與電網(wǎng)并聯(lián)的定速異步風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)會受到嚴(yán)重的影響。尤其是不對稱故障會造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動，給風(fēng)機(jī)組硬件設(shè)備造成不良影響，直接降低風(fēng)電機(jī)組硬件設(shè)備的使用壽命。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)中輸出的功率下降，此時(shí)如果風(fēng)電機(jī)組依然進(jìn)行大量風(fēng)能的捕獲，就會造成風(fēng)機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)速度劇增。如果自然風(fēng)能過大，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速抑制將會更加困難[2]。轉(zhuǎn)速增加會進(jìn)一步提升電機(jī)對電網(wǎng)無功功率的吸收效率，成為電網(wǎng)恢復(fù)的障礙，嚴(yán)重時(shí)可能造成系統(tǒng)崩潰。因此，雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越技術(shù)更難實(shí)現(xiàn)。

三、低壓穿越技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

（一）定速異步風(fēng)機(jī)低壓穿越的實(shí)現(xiàn)

定速異步風(fēng)機(jī)在電壓跌落期間的低壓穿越難點(diǎn)主要在于電磁轉(zhuǎn)矩降低造成的轉(zhuǎn)速提升。由于結(jié)構(gòu)簡單，所以對于這一問題的解決措施也數(shù)量有線。當(dāng)前最為簡單可靠的解決措施為判斷電網(wǎng)低壓跌落故障后，可以利用定速異步風(fēng)機(jī)的變槳控制來減少轉(zhuǎn)矩，降低風(fēng)機(jī)對于能量的捕獲，從而降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是由于風(fēng)機(jī)槳葉具有巨大的慣性，邊距對其造成的負(fù)荷非常大，需要槳葉本身具備良好的性能，能夠支持變槳實(shí)現(xiàn)。

定速異步風(fēng)機(jī)變槳應(yīng)對低壓穿越的缺點(diǎn)在于變槳之后的風(fēng)機(jī)無法支持電網(wǎng)恢復(fù)，繼續(xù)維持并網(wǎng)的定速異步風(fēng)機(jī)還會因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)吸收電網(wǎng)中的無功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)的恢復(fù)速度下降。所以采用變槳控制還需要降低無功功率吸收的措施[3]。按照最大功率安裝電容組是解決無功功率吸收常用的方法，但是會對系統(tǒng)電壓造成一定的擾動，可能會導(dǎo)致臨近母線出現(xiàn)過電壓，因此部分研究提出安裝靜態(tài)無功補(bǔ)償器，進(jìn)行無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)定速異步風(fēng)機(jī)的低壓穿越。

（二）雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越的實(shí)現(xiàn)

雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越難度最大，電壓跌落不但會對風(fēng)機(jī)電子元件造成損傷，隨之產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速上升也會影響電機(jī)的使用壽命。因此在雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越實(shí)現(xiàn)過程中，需要重點(diǎn)解決變流器保護(hù)和轉(zhuǎn)速上升的技術(shù)難題。部分研究人員提出在進(jìn)行雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越似乎，可以通過對磁化電流的動態(tài)過程分析，形成控制低壓穿越暫態(tài)過電流控制的精確模型，在系統(tǒng)中利用補(bǔ)償器來修正動態(tài)量進(jìn)行電網(wǎng)的補(bǔ)償。除此之外，還針對電網(wǎng)不對稱故障提出了利用鎖相環(huán)濾除諧波，提高雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越能力[4]。上述雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越方案在理論上具有非常夠的可行性，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中難度較大，磁化電流動態(tài)分析和控制模型建立難度較高，實(shí)施過程精度要求大。由于這些技術(shù)難題，雙饋式風(fēng)機(jī)的低壓穿越難度較大，方案可靠性不高，目前仍然處于技術(shù)研發(fā)和攻克階段，如何兼顧可靠性與經(jīng)濟(jì)性的前提下，完成雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越是解決風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

四、結(jié)束語

綜上所述，新能源的開發(fā)與利用是未來發(fā)展的主流趨勢，我國在新能源利用上處于先進(jìn)水平。風(fēng)力發(fā)電低壓穿越方面，不同的風(fēng)電機(jī)組形式穿越的技術(shù)難度不同，定速異步風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，低壓穿越實(shí)現(xiàn)難度較低。雙饋式風(fēng)機(jī)低壓穿越難度較高，目前低壓穿越方案在理論上具備可靠性，但是實(shí)際應(yīng)用難度較大，需要通過技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)其低壓穿越。