双馈式风力发电机低电压穿越技术研究
(榆林国远风电有限公司，陕西 榆林 719300）
摘 要：在现如今的电网中，DFIG 变得更加重要，占比也得到了显著的提升，对于电网运行的安全与可靠，LVRT 的能力是相当关键的。本文先概述了实现 LVRT 的要求，然后针对低电压穿越技术，对有关的成果进行了归纳以及评价，以期为有关人士提供参考。
关键词：低电压穿越（LVRT）；风力发电；硬件设备；控制对策引言：
长期以来，我国风电的发展已经逐渐成为三大能源之一，这也使得风力发电技术获得了极大的进步。对于各个国家来说，也都开始构建风电并网技术标准，以此来降低大规模风电并网时产生的不良影响，对于风机来说，其低电压穿越能力目前已经成为风电并网时的重点问题。在 DFIG 中，主要依靠于励磁变频器，它的容量比较小，不管是有功，还是无功的情况下，都能进行独立控制，因此被广泛使用在风电领域。现阶段，由于电网电压急速下降导致的问题，对风力发电机组的动态性和 LVRT 进行研究，应引起该领域的重视。
1.实现 LVRT 的要求
在风电场 LVRT 方面，电网有着一定的要求，其目的是：在出现大故障之后，能够保证电网的安全与可靠。基于不多的机组并网，在出现故障的情况下，能够促使机组停止运行，同时不会带来很大的后果；实际上，对于装机比例大的区域，当出现故障时，通过实施切除机组的手段，极容易带来很大的后果，有的时候，会致使大范围的停电。基于这样的情况，为确保电网运行的可靠与稳定，针对风电场，有必要给出有关的运行准则。政府有关部门曾给出了有关的规定，提出了以下几点要求。（1）自保：当并网点电压出现跌落现象，并达到额定电压的 20%的情况下，应确保风电机组不脱网运行，建议应运行 624 毫秒，同时当电压跌落之后的三秒时间内，应将其复原到额定电压的 85%左右，对于我国并网标准来说，这是基础性的要求。（2）改进运行：在出现故障的情况下，没有进行解列的风电场，对于其有功而言，需要在问题解决之后第一时间将其复原，从问题开始排查的那一刻起，需要借助一定的功率变化率，以便能够恢复最初的数值。（3）动态无功支持：针对于风电场群而言，若其含有很多的装机容量，当出现短路故障时，再加上存在电压跌落的现象，则对于风电场来说，当其在低电压环境下进行穿越时，需要具备动态无功支撑的性能。
2.DFIG 低电压穿越技术
对于风力发电机来说，想要有效解决其并网点电压跌落的问题，要求相关人员应对此加强重视，一些学者也应针对该问题进行了进一步的研究。现阶段实行的 LVRT 技术中包括两个类型，一类是不用添加硬件的类型，对变流器的控制策略进行改善，在其中引入一定的补偿量，这将有效防止暂态过电流，但是这一类技术仅可以用在电网电压轻微跌落时出现为问题；另一类是电压跌落比较大的情况下，添加硬件电路，比如直流斩波电路等。
2.1 改变控制对策的 LVRT
基于电磁暂态特点，有学者对其开展分析，在出现故障的情况下，以便能够充分把握转子过电压。通过对暂态电压的分析，当存在非对称故障时，存在两种因素会致使转子过电压的出现，一是直流分量，二是负序分量，实际上，基于转子坐标系，对于这两种分量来讲，仅转速有着差异，基于此，当出现非对称故障时，也可以实施注进有关补偿量的手段。图 1 所示，以控制系统来看，可以将其分成多个部分，比如电流的计算。
图 1 系统控制对策结构图
2.2 添加硬件设备的 LVRT
和软件研究进行对比，通过 LVRT 技术，就是在出现故障的情况下，能够达到切入保护电路的目的，在此基础上，对于一些多余的能量，以便能够得到充分的消耗。图 2 所示，对于 Crowbar 的作用来讲，就是基于电压的骤降，在电压或者电流满足一定值时，第一时间投进 Crowbar 电路，以针对浪涌电流，能够向其供应回路，在此基础上，可以实现对两方面内容的控制，也就是过流以及过压，从而更好维护变流器，在较短时间内，不会出现脱网运行的情况。Crowbar 保护电路具有简单有效以及成本较低的特点，而且还很好完成，从而对励磁变频器实行保护，但是在运用过程中，还有着很大的问题，在动作的过程中，DFIG 可以当作是并网笼型发电机，并且还会和电网进行连接，它将在电网中获取较多的无功，这将不利于电网电压的复原。
现阶段，在对 Crowbar 保护进行研究时，主要体现在两个方面。
一方面是对阻值大小的选取，一般情况下会觉得运用 Crowbar 后，能够把 DFIG 看作绕线式感应电机，对其展开分析，在这一过程中若是 Rcrow 逐渐增大，那么转子的电流降低的速度也会越来越快，同时电流以及转矩振荡幅值也会逐渐变小，但是若是 Rcrow 高出一定值，那么对于转子逆变器来说，会导致两方面的电压显著上涨，一方面是器件，另一方面就是转子绕组，除此之外，这也会促使电压幅值明显提高，有关学者就利用整定求出了 Crowbar电阻的范围大小。另一方面是对于投切时间的选取，若是时间不规范，会导致 Crowbar 进行多次的动作。有关学者还指出，需要在解决故障之前，将撬棒电路切除掉，同时还要确保切除的时间，应和故障解决的时间相近，这将促进系统更好地还原。
图 2 DFIG 拓扑结构
基于以往的撬棒电路，一些学者借助不可变阻值，然而不能在同一时间内，实现对电压以及电流的控制，并且以投切时间来看，有着不够的现象，给出了双馈风机 LVRT 方案，详情如图 3。与电流上涨时间进行比较，在充电时间较长的情况下，相比于母线电压，电流有着更快的上涨速度，基于这样的情况，当电压开始减小时，仅投入撬棒电路，并非要对电阻进行并联，就能够达到控制电流的目的；在电压满足一定值时，对电阻进行并联，以发挥降低电阻的作用，通过这样的方式，能够避免电压不断增加。在有效利用这一方案的基础上，无论是电压还是电流，都能够达到控制的目的，除此之外，在电压过于偏小时，能够缩短投入时间，可为有效恢复系统，提供强有力的保障。实际上，这一方案也有着一定的不足，具体而言，因为要同时控制电压以及电流，从而会对抑制效果造成一定的影响；另一方面，在投入电阻之后，由于会致使电压出现波动，从而会带来不好的后果。
相关学者在研究的过程中，还对故障阶段DFIG的暂态现象进行了研究，研发出要在定子侧添加辅助设施的方法。对于这类方法来说，最重要的就是定子以及电网间存在的串联元器件。有关学者对于现阶段运用的 Crowbar，促使双馈发电机吸收相应的无功出现的问题，研发出了在定子串联阻抗的基础上，实行的 LVRT 方案。通过该方法的运用，能够科学选取出阻抗参数，以及电压穿越时序，有利于确保 DFIG 在发生故障为题时，可以不脱网运行，同时还能给予其相应的无功支撑，但是它还有一定的不足之处，当故障出现的后期，会影响直流母线的复原速度。由于电网出现故障问题，致使电压急速下降的情况，DFIG 将会形成转子暂态电流，而且还非常大，当它经过直流母线，在其电容器中会导致直流母线的电压增加。但是电压减小，也会导致电子侧逆变器发生变化，将不能对电容器的电压进行充分调节，在转子侧剩余的能量，也不能被有效传送到电网中，这会进一步导致直流母线电压增加。对于这一现象，有关学者指出，应在直流母线的位置安装 UPS，利用UPS 进行全面控制，从而在电网电压出现跌落时，有效控制直流母线的电压。
图 3 Crowbar 电路
结论：伴随风力发电持续的发展，基于电压骤降的情况，对 LVRT 能力进行优化是非常关键的。文章介绍了 LVRT 控制要求，然后针对低电压穿越技术，对相关的研究成果进行了归纳，在该项技术不断发展的背景下，可为风电接入电网，起到更好的推动作用。
参考文献：
[1]史春飞.双馈风力发电机低电压穿越技术研究[D].安徽工程大学，2020.
[2]周陶.双馈风力发电机低电压穿越技术与控制策略研究[D].天津大学，2019.
[3]孙云鹏，谢冬梅.双馈风力发电机低电压穿越技术综述[J].中国设备工程，2018(15)：152-153.
