双馈式风力发电机低电压穿越技术分析柳旭

双馈式风力发电机低电压穿越技术分析柳旭

柳旭

华电国际宁夏新能源发电有限公司宁夏银川750021

摘要：近年来，随着我国经济的发展，我国各行各业对电能的需求量逐渐上升，为了满足工业和生活用电，我国开始利用风能发电。目前，随着双馈式风力发电机应用逐渐增多，应用逐渐广泛，为了保障供电的稳定性，发电厂技术人员必须要研究低电压穿越技术来保障发电机的稳定性。本文就双馈式风力发电机低电压穿越技术进行分析，在介绍低电压穿越技术的基础上，阐释了双馈式风力发电机运行中存在的问题，并介绍了低压穿越技术在双馈式风力发电机上的应用，以供参考。

关键词：双馈式风力发电；低电压穿越技术；实现方法

近年来，风能作为清洁能源得到了广泛的重视，风能逐渐被应用在了众多的领域。目前，利用风能发电成为了我国供电的主要方式，而双馈式风力发电机由于变速运行、变流器容量小等优点被广泛地应用。但是，在长期的运行过程中，双馈式风力发电机在电网故障处理方面仍然有一些缺陷，例如忽略了定子磁链的暂态过程，导致定子磁链定向不准确，这会降低控制效果。为此，为了避免故障的发生，在风力发电机运行过程中，其必须要借助低电压穿越技术，以保证供电稳定性和风力发电机的良好运行。

一、低电压穿越技术的介绍

所谓低电压穿越技术就是指在风力机并网点电压跌落的时候，可以保障正常的并网，甚至可以在并网的过程中，为电网提高一定的无功功率以帮助电网恢复正常，从而帮助风力机“穿越”低电压时间的技术。现阶段，主要使用的风力发电技术有定桨距调节风电技术、变桨距调节风电技术、主动失速调节技术和变速恒频风力发电技术。目前，变速恒频风力发电技术能够追踪最大风能，且运行范围较广，其得到了广泛的应用。该技术的使用需要借助交流励磁双馈发电机或永磁发电机。

双馈感应发电机最常用的数学模型是在d，q坐标系下的5阶模型，数学模型为

μds=pΨds-ω1Ψqs-Rsids

μqs=pΨqs-ω1Ψds-Rsiqs（1）

μdr=pΨdr-ω1Ψqr-Rridr

μqr=pΨqr-ω1Ψdr-Rriqr（2）

其中，μ、i、Ψ分别为电压、电流和磁链，L、R分别为电感和电阻，ω1为定子同步电角速度，下标d，q分别表示d，q轴分量。

在双馈式风力发电机中，它主要采用定子磁场定向的矢量的控制方法，将同步旋转坐标系中的d轴与电动机定子磁链矢量重合，推导出基于定子磁场定向的双馈式风力发电机在稳态下有功和无功功率解祸的励磁控制模型，从而使励磁控制系统模型变得较为简单。

其中，d轴定在定子磁链方向上，有

Ψds=Ψs

Ψqs=0（3）

忽略定子磁链的暂态过程，由

μds=pΨds-ω1Ψqs-Rsids

μqs=pΨqs-ω1Ψds-Rsiqs

可以得出μds≈0；μqs≈ω1Ψs（4）

整理得

ids=-1/Lss（Ψs-Lmidr）

Iqs=Lm/Lssiqr（5）

将（3）、（5）代入（2）式中得：

P=μdsids+μqsiqs=Usiqs=-Lm/LssiqrUs

Q=μqsiqs-μdsids=ω1Ψsids=ω1Ψs（Ψs-Lmidr）/Lss（6）

其中，Ψs和Us分别表示定子磁链和定子电压，Lss=Ls+Lm，Lrr=Lr+Lm，Ls，Lr分别为定子、转子漏感。

式（6）实现了对双馈电机转子q轴电压及有功、无功的解藕控制。这种控制策略构造简单，并且可得到很好的稳态响应。但是，这种控制方法忽略了定子磁链的暂态过程，认为定子磁链保持不变，但如果故障过程中发生变化，那么转子电压的解藕控制将无法实现。另外，在故障发生时，电机端电压发生跃变，测量定子磁链用的积分器发生积分饱和，可能导致定子磁链定向不准确，这也将会造成有功、无功控制不能解藕，整个控制系统在故障过程中无法实现预想的控制效果。为此，双馈式风力发电机必须要借助低压穿越技术，在并网过程中电压过低时，采取措施对其进行控制，避免问题扩大化。

二、低电压穿越技术在双馈式风力发电机上的应用

2.1转子短路保护技术的实现方法

为了保护电路，很多制造商会在双馈式风力发电机的转子侧增加Crowbar转子保护电路，这成为了低电压穿越技术最常见的应用方法。Crowbar转子保护电路它可以为转子侧电路提供旁路，一旦系统检测到电压跌落时，它会自动闭锁双馈感应发电机励磁变流器，并会到转子回路的旁路释放电阻，以保护设备，保障双馈式风力发电机不脱网进行运行。为此，在转子保护电路总电阻发挥着关键的作用，电阻的选取也非常重要，其既不能过大，也不能过小而不能限制电流。如果电压跌落的时间较长，超过0.1S时，会断开Crowbar使系统运行在正常工作模式，电机即可在故障期间为电网提供无功。

在故障解决以后，双馈式风力发电机会自动恢复到正常的工作状态，如果不采取控制措施，电压会恢复成暂态状态。为此，为了避免出现这个问题，在切换的过程中，工作人员必须要将各参考值设定为此过程中的实际值，这才能保障其切换到正常的状态。从这里可以看出，该方法在实际的工作中，它的实际运行效果和内部运行条件和故障特征有着密切的联系，且在切换的过程中可能会出现暂态问题，此时Crowbar退出，这将会加剧该暂态过渡过程。

2.2在定子侧安装电子开关

为了保障电力系统的良好运行，限制短路电流，避免转矩振荡，工作人员需要在定子侧安装电子开关，这样可以将定子与电网进行分离。该电子开关主要是在故障发生时，它会切断定子和电网，并控制转子侧逆变器使双馈式风力发电机去磁，一旦故障解决，它会控制电压恢复，并控制转子侧逆变器给电机励磁，使双馈式风力发电机尽快与电网同步，电机定子侧重新连接到电网，恢复正常工作。这种低电压穿越技术的实现方法会使晶闸管持续导通会降低系统效率，且该方法没有实现脱网。

2.3使用能量存储系统，控制直流电压

在风电系统发生故障的过程中，电压跌落期间为了避免问题的扩大化，工作人员需要使用能量存储系统，控制直流电压。能量存储系统主要是将故障期间产生的过剩能力存储起来，在故障解除后，将这些能量送入电网中。该方法可以有效解决Crowbar电路的切换问题，既可以保障暂态故障不会发生，又会对系统进行继续调控。但是，能量存储系统不能对转子电流进行有效的控制，要想保障电路，其必须要保证变流器选用较大容量的IGBT。利用IGBT形成的Crowbar电路，它主要是将IGBT器件安装在直流侧，在电网发生故障时，双馈式疯了发电机会作为感应电动机运行，从而实现和电网同步运行。一旦故障消除，就不断开功率开关，切除Crowbar，使双馈式风力发电机正常运行。

三、结束语

总而言之，为了满足电能的需求，我国风力发电场规模逐渐扩大，且随着风力发电技术和并网技术的发展，我国为了保证电网的稳定性和保障双馈式风力发电机的安全运行，避免在电压跌落期间出现问题，有关人员必须要利用低电压穿越技术，帮助风电系统度过低压阶段，发出无功给电网提供支持，以保障风力发电机的安全运行，推进风力发电场的长远发展。

参考文献：

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[2]赵长风.基于滑模控制器的双馈异步风力发电机组低电压穿越控制策略[J].通信电源技术，2018（1）

[3]姜惠兰，李天鹏，吴玉璋.双馈风力发电机的综合低电压穿越策略[J].高电压技术，2017，43（6）

[4]孙丽玲，王艳娟.基于Crowbar串联电容的双馈风机低电压穿越综合控制策略[J].电网技术，2018，42（7）