发电机故障引起的双馈风力发电机组低电压穿越研究

武庆元

摘 要：随着我国电力事业的不断发展，电力运行范围越来越广，根据我国现行的国家标准，对于风电场内风力发电机组低电压穿越功能提出了明确的要求。为确保电网稳定运行，结合我国电网实际运行情况，提出了发电机短路故障引起发电机组低电压穿越的检测方案，并在一定程度上优化了发电机组低电压穿越技术水平。

关键词：风力发电机；低电压穿越；故障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.176

随着我国电力网络建设的日趋广泛，有很多原因会导致电网运行不稳定，其中，风力发电机组低电压穿越功能作为一个保证电力网络稳定运行的因素，对于电力网络的稳定运行有着一定的作用。为保证电力网络稳定运行，当风力发电场的并网点一旦出现跌落，风机在其跌落范围内可以实现不脱网运行，需要在风机内部适当增加相关软件及硬件，以此来实现低电压穿越。

1 我国现行标准发电机组低电压穿越的具体要求

我国现行的发电机低电压穿越的国家标准为GB/T19963-2011。相对于国家电网现行的标准，国家标准在国家电网现行标准的基础上，增加了动态无功支撑能力要求。对于发电总装机容量为1GW以上的风电场内的风电机组，在低电压穿越过程中变流器应具备以下动态无功支撑能力。当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，风电场并网点电压在额定电压的20%～90%范围内，通过无功电流支撑电压对变流器进行电压恢复；一旦电压出现跌落那一刻起，动态无功电流控制响应时间不应长于75ms，并能持续550ms。

2 发电机故障引起的双馈风力发电机组低电压穿越研究

要想使风力机组低电压穿越得意实现，结合我国现阶段电力的发展水平，需要解决的问题首先是低电压的检查问题，并对低电压事件进行快速有效的检测。这也是实现低电压穿越的首要条件。当风力机组进入低电压穿越时，其主导控制系统是由变流器和主控系统这两个部件对组成，使得机组在没有出现故障时不处于脱网状态，并且在标准GB/T19963-2011的要求下实现低电压穿越。

2.1 发电机故障引起低电压穿越的原因

在发电机出现故障时，会引起电压跌落，进而导致发电机定转子电流瞬时突变，定转子大电流不能及时得到抑制，就会引起发电机和变流器电流过大，导致发电机出现故障，进入无功模式，进而实现低电压穿越。

2.2 风力发电机组低电压检测方法

进行电网电压检测的方法有许多种，針对不平衡电压跌落风力发电机现象的存在，一般都采用三线电压dq分解法。将采集的a、b、c三相电压变换到dq轴表达式为：[ud，uq]=C[ua，ub，uc]T 。

通过将三相对称电压在dq轴系下的相关计算，可以得出，一旦d轴电压出现变化，就可以以此为依据判断电网电压是否出现跌落现象；当不平衡电压跌落现象出现时，q轴上的分量值也不再为0，因此，可以通过q值来判断电压不平衡的跌落程度。

2.3 主控系统对于实现低电压穿越的控制策略

主控系统与变流器之间相互作用配合可以实现风力机组的低电压穿越。其主要原理为：变流器通过相关检测发现低电压的存在，就会自动控制机组进入低电压穿越状态，与此同时，对低电压穿越信号传输至主控系统。除此之外，主控系统也会根据相关设定对电压实时监控，一旦监测到低电压或者变流器出现异常时，其可以控制发电机组进入低电压穿越状态。在实现主控系统对低电压穿越的控制时，需要将低电压穿越保护进行相关的设置。一旦出现低电压现象，且被主控系统监测到，风力机组就会自动进入低电压穿越模式，如果电压跌落在标准要求的范围之内，主控系统会控制机组实现低电压穿越；如果跌落电压较大，主控系统会对相关故障进行报警并停止机组运行。

除了上述的主控系统对风力发电机组进行控制之外，当主控系统在低电压穿越控制模式下，也要对发电机进行一定程度的降速，完成相对应的收桨，其主要目的是防止由于功率过低引起机组超速，在整个降速过程中，需要对风机内部的偏航电动机、冷却风扇电动机等非变频控制设备进行临时禁止运行，以此来抱枕低电压穿越过程中运行电压的降低。在低电压穿越后电网电压恢复标准要求这个时间段内，主控系统应以机组额定功率10%/s的速率进行功率恢复。

2.4 变流器实现低电压穿越的控制策略

实现变流器低电压穿越控制的主要原理是：在进行并网的过程中，如果出现电压跌落现象，一般都会出现发电机定转子的电流瞬时升高并伴随着震荡，变流器一般是在软件算法上对电流进行抑制，除此之外，还需要在硬件方面实现能量释放，其主要目的是以此来保护绝缘栅双极晶体管等相关部件。在实现硬件电路泄放电流时，其主要由两种方式来实现电流泄放：一种是直流母线进行电流泄放，一种是在转子侧进行电流泄放。基于此，在进行电流泄放时，应该在变流器中增加直流母线记忆转子侧等电流泄放模块，除此之外，还要增加电流的检测模块等相关设备。在低电压穿越期间实现电流泄放时，这些模块主要是用来直流母线的电压。

2.5 电网故障低电压穿越过程

风力发电机在满功率发电期间在三相电压平衡跌落至额定电压的20%的时候是最为严重的低电压穿越的现象，也是考验变流器控制的一个重要指标。由于机组控制系统内部参数设置不能实现突变，当电压出现跌落时往往会影响到发电机转子电流，使其发生瞬时突变。定转子大电流如果不能及时抑制，就会引发一系列问题，造成变流器中功率器件因电流过大而造成损坏。因此在低电压开始的一瞬间，变流器要充分发挥自身的控制作用，立即停止机侧的励磁调制，使电流稳定后进入一种无功状态。

3 结语

在发电机内部定子短路往往会引起电压跌落的情况，使其进入低电压穿越状态，这种状态下的发电机组极易出现损坏，进而引发安全事故。因此，应加强对风电场内风力发电机组低电压穿越功能的研究，在实现其控制的过程中，当发电机内部定子短路引起机组低电压穿越时，风机应对其进行及时检测，并且实现设备的脱网运行，而不是持续执行低电压穿越功能，以此来保证当出现低电压穿越现象时，不出现风机设备脱网的情况。

参考文献：

[1]陈昆明.发电机故障引起的双馈风力发电机组低电压穿越研究[J].上海电气技术，2017（01）：49-53+63.endprint