几种常见风力发电机机型的低电压穿越方案

韩天雪

【摘 要】由于风力发电机相对于传统大容量发电机更容易失去稳定运行状态,因此风力发电机并网问题变得非常突出.低电压穿越功能作为风力发电机并网的难点之一,国家能源局对此制定了相应的规范.结合中电投东北新能源发展有限公司已投产的北票项目,对3类常见的风力发电机组的低电压穿越方案进行了分析,并通过试验验证了方案的合理性和可行性.

【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2011(007)003 【总页数】4页(P199-202)

【关键词】低电压穿越;定速型风机;双馈型风机;永磁直驱型风机;变流器 【作 者】韩天雪

【作者单位】中国电力投资集团公司东北新能源发展有限公司,沈阳110181 【正文语种】中 文 【中图分类】TM614

风力发电机(简称风力机)从商业化运行以来，经历过“丹麦风力发电机”、“德国风力发电机”等几个阶段，在现阶段运行的风力发电机型号多，表现各异，要分析风力发电机的低电压穿越能力，必须对风机的类型有所了解. 1 风力发电机的类型

目前市场上有2类主要风力发电机类型，一类是变桨距变速型风力发电机，又分为双馈异步风力发电机和永磁直驱全功率变流器风力发电机2种;另一类为定桨距失速型风力发电机.风力发电机结构如图1所示.

图1 各种风力发电机结构

从图中可以看出，这3类风力发电机的主要特点.

1)定桨距失速型.定子、转子直接与电网连接，机组的过流能力取决于发电机绕组和导线的耐受能力.

2)双馈异步型.定子直接与电网连接，转子通过变流器与电网连接;定子的过流能力取决于发电机绕组和导线的耐受能力，转子的过流能力取决于变流器的耐受能力. 3)永磁直驱同步型，定子通过全功率变流器与电网连接，转子系统为永磁体，不受电气量影响，发电机的过流能力取决于变流器的耐受能力［1］. 2 风力发电机低电压穿越的意义

为什么风力发电机会存在所谓“低电压穿越问题”，应先看一下电网电压突然降低对发电机带来什么样的影响.电网故障时，发电机机端电压突然降低，会造成发电机绕组磁通的变化，在定子和转子侧都形成过流.在传统机组中，励磁系统可以通过强励方式把电压支撑在1 pu，可以支持短路点的短路电流，只要磁通突变的时候，产生的过流不超过转子、定子的耐受能力就可以持续运行.

相对于传统发电机，风力发电机在低电压穿越时要考虑以下因素:①机端电压支撑能力.②机械、电气功率的不平衡会影响机组稳定运行.③暂态过程导致发电机中出现过流，可能损坏器件.④附加的转矩、应力可能损坏机械部分.⑤高风速期间，输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，甚至可能引起大面积的停电，进而带来频率的稳定问题［2］. 3 几种风力发电机的并网方案及比较

比较几种风力发电机的结构，从稳态、暂态特性上可以看出:①稳态特性，由于桨距可变，变速风电机组好于恒速风电机组;②暂态特性，由于没有变流器等电力电子元件，恒速风电机组好于变速风电机组.对于电网低电压工况，恒速风电机组面对的主要是机端电压难以建立的问题，而变速风电机组面对的主要是电力电子元件过流问题.一般而言，IGBT(大功率整流模块)的过流能力只是额定电流的2倍，实际运行的时候，允许的过电流一般只有额定电流的1.2倍［3］.因此，在解决风力发电机低压穿越问题时，必须考虑以上特性. 3.1 金风750机组的解决方案

恒速风电机组主要是解决机端电压难以建立的问题，对电压的补偿，可以考虑采用STATCOM(静止同步补偿器).STATCOM是基于电压源变换器原理、采用IGBT的有源型无功补偿装置，属于动态的无功补偿装置，具有响应速度快和平滑调节的特性，设备的无功电流受系统电压影响很小.

按STATCOM的安装位置，可以考虑中压侧集中配置，也可以按1机1补偿的方式，如图2所示. 图2 1机1补偿的方案

通过对50 MW容量风电场的仿真计算，采用30 MVar全动态无功补偿装置，风电场场内电压等级选择为10 kV系统，将金风S750机组的短时低电压保护定值设为0.8 pu、3 s的时间延迟，则风电场可以承受60%以上的系统低电压故障.对于系统跌至0.6 pu的电压故障，风电场可以保持并网运行，但对于系统0.6 pu以下的故障，风电场不能穿越故障.

另外，也可以考虑将STATCOM安装在风力发电机出口侧的方案，即1机1补偿的方式.STATCOM安装靠近机端后，假设风力发电机箱变的短路阻抗为6%，而风电场主变的阻抗为13.5%，故障点到风电场的阻抗等效为主变阻抗的6%，那么将STATCOM安装在机端电压恢复效果会更好，理论上有24.4%的提升效果.这种

方案可采用单台750机组配置700 kVar左右的STATCOM.

总的来说，对于金风750机组，是通过加装外部无功补偿装置的方式，将机端出口电压提升至0.8 pu，来实现低电压穿越过程的.对于单台750机组配置的无功容量，配置700 kVar可实现0.6 pu电压跌落的穿越，如果配置再大容量的无功容量，将保护定值降低到0.8 pu以下，对单机配置的方式，造价与集中无功补偿的方案经济性接近［4］.

但这种解决方案依然不能满足国网公司对机组的要求，即电压跌落到额定的20%的时候，需要保持并网625 ms.此时，配置全功率变流器则是一种很好的解决办法(见图3).

图3 定速型风力发电机的全功率变流器方案

从图3中可以看出，此方案是在风力发电机出口和箱变之间串入1台低电压穿越设备，设备内部由1套反并联晶闸管与1套背靠背全功率变流器并联组成，为1机1补偿方案.

反并联晶闸管用于控制风力发电机进入或退出低电压穿越状态.低电压穿越装置检测到系统电压低于90%后，立刻进入低电压穿越状态，20 ms内反并联晶闸管退出运行，同时变流器串联进主回路开始工作，实现了异步电机与电网之间的隔离，并在电机侧变流器产生690 V、50 Hz的工频电压，以保证异步发电机能够正常发电;同时在网侧，变流器会根据电压跌落情况向电网提供无功电流支撑.因为网侧电压低，会导致发电机的电能不能完全送入电网，使变流器的直流电压被抬高，当直流电压达到上限时，放电电阻起动，能量将通过直流放电电阻被泄放掉.

配置全功率变流器是目前比较成熟的并网方案，优点是风力发电机和电网能解耦运行，并网性能好;缺点是价格较高.设备的实验录波见图4. 图4 设备运行实验录波 3.2 双馈变桨距变速机型方案

现在市场上有多种针对双馈变桨距变速机型的解决方案，其核心都是考虑转子过流对电力电子元件的影响.下面介绍常用的3种方案.

1)Crow-bar resistance解决方案.设置1条crowbar回路旁路转子变频器，Crow-bar动作期间，发电机成为普通的异步机.Crow-bar短接时间很短，60～80 ms.Crow-bar的电阻可以阻尼转子磁链，当转子磁链衰减后就可退出，此时稳态短路电流不是很大.Crow-bar退出后，变频器重新同步，控制能力恢复. 2)Fast Reconnection解决方案.Nordex的双馈变速风电机组采用此方案.在风力发电机进入到低压穿越状态后，100 ms内切除风电机组，Crow-bar也动作.100 ms后，风电机组再次并网，同时Crow-bar退出，风电机组重新运行.这种方式也采用 Crow-bar保护，但是Crow-bar可以做得较小.

3)Chopper Resistance解决方案.VESTAS机组采用此种方案.该方案采用大容量二极管与标准IGBT并联.故障过程中，IGBT闭锁，二极管导通，短路引起的冲击电流经二极管流过，用二极管导通大的暂态过电流以保护IGBT.同时，导致DC-Link的电容电压升高，故采用chopper resistance消耗电容的充电功率. 3.3 永磁直驱全功率变流器机型的方案

全功率变流器把发电机发出的幅值和频率变化的电能转化成幅值和频率恒定的电能，在物理上对风力发电机和电网进行了隔离(见图5). 图5 永磁直驱全功率变流器机型方案

从拓扑结构上看，风力发电机的发电机通过变流器连接电网，而不是直连的方式，这样电机与电网不直接耦合，因此在系统发生短路故障时，风力发电机的短路特性由变流器决定，而与发电机特性无关.

电网发生低电压时，可将变流器分成电机侧和网侧2部分分析，而2部分通过中间的直流电容环节连接.当电网发生故障时，变流器首先检测到并网点的电压降，机组进入低电压穿越控制.变流器在发电机侧，控制发电机正常发电，发电机出口

的交流能量被转换成直流能量，存储在中间直流电容上;同时在网侧，变流器控制网侧电流，使风力发电机短路电流不大于1 600 A.因为短路电流恒定，网侧电压低，使前端发电机的能量不能正常输送到电网上，这样就导致中间的直流电容不断被充电，而不能正常放电，直流电压被抬高，当直流电压达到一定值时，直流电容上的放电电阻被触发发电，能量通过制动电阻被泄放，直到直流电压恢复正常为止.在电网低电压过程中，该类型风力发电机的变流器属核心部分，一方面控制电机正常发电，一方面控制网侧短路电流恒定，并控制多余的能量通过放电电阻泄放，以保护中间的直流电容，这种控制将持续整个低电压暂态过程，直到系统电压恢复正常.如果低电压持续时间超过其标准的保护时间，风力发电机将做退网保护［5］. 通过以上描述可以看出，在整个低电压穿越过程中，全过程都是可控的，而且变流器控制的电磁转矩故障前后没有变化，风力发电机感受不到故障，不会产生振动和飞车等事故，电网侧能持续发出无功电流，支持电网电压跌落.3种双馈变流器的方案，都有80～100 ms的短暂失去控制阶段，并会影响到风力发电机机械转矩和电磁转矩的平衡，也会造成振动，给齿轮箱、叶片、风力发电机基础等带来冲击，而且在这80～100 ms内，也不能给电网带来有效的无功支撑.

全功率变流器能带给风力发电机优秀的并网能力，金风公司从2005年开始就致力于低压穿越的研究，其成果于2009年通过了德国Windtest的低电压穿越检测，并正在国内与电科院一起进行挂网检测.第一阶段小功率低电压穿越已全部完成，目前正在准备进入第二阶段大功率低电压穿越实验阶段. 4 低电压穿越功能方案的应用

为实现该方案在风电厂中的实际应用，公司于2010年8月组织相关人员对中电投东北新能源发展有限公司北票北塔子风电厂金风1 500 kW变桨直驱型风电机组进行了低电压穿越功能改造，并于2010年10月组织东北电科院、风力发电机厂家技术人员携带有关试验仪器，对部分风力发电机的低电压穿越功能及保护动作时间、

起动电压进行了测试，发现改造后的风力发电机完全满足国家电网公司的技术要求. 参考文献

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