变速风电机组低电压穿越能力探析

 【摘要】电力变流器的变速风电机组技术性能先进，使得其应用也越来越广泛。当风电机组的外部出现短路故障的时候，其机组的内部就会产生短路电流，此时需要对风电机组的设备安全及电网的稳定性进行保护，这就需要风电机组具有低电压穿越能力。本文的研究共分为三个部分，第一部分主要是对风电机组低电压穿越能力的基本概念进行阐述，第二部分简要介绍了我国风电并网低电压穿越的有关技术指标，第三部分对变速风电机组低电压穿越功能及原理进行了一定的说明。 
　　【关键词】风电机组；电网；低电压穿越 
　　随着新能源产业的发展以及国家对环境保护的重视，因此我国的风电产业蓬勃发展，同时风电机组的容量以及在建风电场的规模也在不断扩大，接入电网的大型风电场的数量在不断的增加。但是由于风电或风电机组存在稳定性不高、发电持续性不强等缺点也会给电网系统的安全性和稳定性所带来的一定的影响。因为风电机组所采用的发电机和传统的发电机在静态和暂态特性上存在着差异，特别是在电压的控制方面其能力远远不如传统的火力发电机组，因此具备低电压穿越能力是保障风电机组及电网安全运行的有效的技术手段。 
　　1、风电机组低电压穿越能力的概念解读 
　　风电机组的低电压穿越能力指的就是当风电机组所连接的电网在发生故障、因为扰动而造成的并网点出现电压急剧下降现象的时候，当电压的跌落值处于一定范围的时候，变速风电机组能够持续运行一段时间而不脱网，直到电网电压恢复正常。当风电机组所接电网出现短路故障的时候，机组的定转子会产生暂态过电流并经过变流器，我们从能量守恒定量去考虑，当系统发生短路的时候会导致风电机组机端的电压出现骤降的现象，这时候风电机组会自动断开与电网的连接，造成大面积的风机脱网现象，此时能量就会出现不平衡的情况，会给风电机组的直流系统进行充电或者流过内部的电气设备及元件，从而造成设备的损坏。因此保证风电机组在遇到电网电压出现低电压故障时能够顺利的穿越同时还能够确保电子器件不受损害，这对于风电机组的安全稳定运行是非常重要的，这也是保证风电机组能够保持并网发电而不发生脱网故障的前提。 
　　2、风电机组低电压穿越的技术规范 
　　电网发生故障时风电机组如何更为有效的运行才以保障电网运行的安全，这已成为阻碍风电产业发展的难题。目前世界范围内的德国、丹麦等国家都已根据风电运行的实际制定出来相关的并网原则，对于风电场的技术做出了严格的规定。因为考虑到风电机组的低电压穿越能力在电网运行当中的重要性，我国也对其做出了明确规定，具体如下：（1）所采用的变速风电机组必须具备在电压跌落到接近1/5的额定电压的时候仍能够保持并网运行。（2）当风电场的并网点电压出现跌落的情况后，要确保其在35秒内能够迅速的恢复到额定电压的9成以上，并且要保证这时候风电机组保持正常的并网运行。（3）对于已经投入使用的不具备低电压穿越能力的风电场要加大投入的力度，积极的进行技术改造，使其尽快的具备低电压穿越能力。 
　　3、变速风电机组低电压穿越功能及原理研究 
　　3.1变速风电机组低电压穿越功能研究 
　　在我国对风力发电不断重视的情况下，我国电力行业的相关研究人员也对风电机组在电网发生故障时的穿越能力进行了更为深入的研究，不同的风电机组为了能够实现低电压穿越的实现需要采用不同的技术。对于使用普通异步电机的发电机进行转速风电机组的固定这种情况的时候，可以采用无功补偿的方式来达到低电压穿越功能的实现，为了达到风电机组并网过程当中对低电压穿越所做出的要求，使用无功补偿方式的时候需要安装静态的无功补偿装置。变速风电机组实现低电压穿越功能是可通过自身来实现的，一旦外部系统发生故障导致电压跌落，风电机组本身就能够实现低电压穿越，保证风电场正常运行，这点对于风电并入电网所要求的标准是一致的。变速风电机组发电系统低电压穿越功能可简单归纳为下面几点：（1）当电网发生故障的时候，需要避免故障电流、电压造成对风电机组的变流器造成损害；（2）低电压穿越功能的实现可以将电网发生故障时风机的机械转矩减少对齿轮箱、刹车盘等设备的冲击，避免出现设备机械损坏的现象；（3）低电压穿越功能的实现需要可以满足电网对风电机组并网的技术要求。 
　　3.2变速风电机组低电压穿越原理研究 
　　变速发电机组最显著的特点就是转子需要通过PWM变流器来和电网进行连接，控制电容及电压的稳定不变是电网侧变流器的主要作用，同时其还为转子侧变流器提供电源支持作用，而转子侧变流器的作用则是是转子绕组时提供相位、频率、振幅变化的磁电流，最终实现对机组所输出的无功或者是有功单独的控制。不同的变速风电机组的低电压穿越功能实现的原理也是不一样的，当外部的系统因为短路而发生故障的时候，通过电机定子的电压、磁通发生突然骤降的现象，而电流却相应的增加，转子侧就会感应到出现的高电流，转子侧的变流器在转子回路上是和其他原件串联的，所以为了对转子侧的变流器进行保护，变速风电机组都会安装上转子短路器，一旦转子侧所感应到的电流超过了设定的最低值达到一定时间后，所安装的转子短路器就会进入运行状态，这时候转子侧变流器就会停止运行，当时电网侧变速器和电网仍旧处于连接的状态，风电机组并网处于正常运行状态。当外部系统所出现的故障使得低电压持续不变的时候，变速风电机组实现低电压穿越是按照下面的步骤进行的：（1）在通过变流器的直流电压或者是通过转子侧的电流超过预定设置的极限值的时候，转子短路器就会将转子侧变流器进行旁路处理，但是这时候电网侧变流器和电网仍然处于连接的状态。（2）当出现低电压故障的时候风机控制系统的桨距角控制系统就会开始发挥作用，目的是降低风机捕获风能的能力，使风电机组机端的电压快速降低。（3）当故障清除之后，机组端的电压就会恢复正常，转子侧变频器也会重新正常运行。 
　　在整个变速风电机组实现低电压穿越功能的过程当中，当转子侧变流器所通过的电流对变流器不至于造成危害的时候，定子短流器停止运行，转子侧变流器仍旧继续运行，这时候若风电机机端出现电压降低时可以通过自身的技术性能达到低电压穿越的，不需要对桨距角进行调节。当定子电压发生急剧下降时，发电机所输出的功率及电磁转矩也会相应的出现下降情况，此时会导致转子加速，因此当电网发生故障而出现持续低电压时，需要在转子短路器的投入使用的时候同时对风机的桨距角进行调节，也是降低风机所捕获风能、有效减小机械转矩的一个重要措施。 
　　总结 
　　如风电机组不具备低电压穿越能力，一旦电网出现一个小故障而导致电压骤跌的现象，使得风电机组极短时间内发生大面积的脱网现象，不但会导致电量的损失，还会对电网系统的稳定运行带来一定的冲击。由此可见，并网的风电机组是否具备低电压穿越能力非常重要。目前我国已经对风电机组低电压穿越方面制定了相应的技术指标，随着研究和实践的深入已经形成对低电压穿越功能、影响等系统性评价，进而提升了风电机组与电网的安全性。