直驱风机的低电压穿越技术

直驱型风力发电变流器低压穿越控制策略研究摘要：提出了一种对三相电量进行快速准确的正负序分离软件锁相环。

该方法无需采用滤波器，从而同时具备了稳态精确性和动态快速性。

现场实验结果表明，该软件锁相环为三相并网型风力发电变流器在电网发生跌落及谐波畸变时提供了良好运行控制提供保障，正负序双电流内环不对称运行的控制策略保证了在电网电压不对称跌落时的正负序分离控制，消除了直流电压的二次谐波。

关键词：风力发电变流器；低压穿越；电压畸变；锁相环；延时信号消除低压穿越过程中，电网电压会发生跌落、谐波畸变，这就要求对三相并网型PWM电力电子变流器进行良好的运行控制，首先要求变流器系统能够准确、快速地检测出电网电压的频率、幅值与相位，为控制系统及时提供准确的相关信息。

即要求锁相环PLL)具备稳态精确性和动态快速性。

然后要求变流器控制系统可采取有效措施避免三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。

目前有很多种相位检测和正负序分离方法。

过零点检测法原理简单，但很容易受到电网电压本身的畸变和检测电路的各种干扰信号的影响，而且至少有半个周期的延时。

基于单dq变换以及瞬时无功功率理论的软件锁相环(SPLL)对三相对称电压的锁相非常有效，但对三相不对称电网和谐波畸变电压，不能实现正、负序分量的有效分解，也不能很好地跟踪电网的频率和相位，使系统不能实现很好的控制性能。

自适应锁相环[8]虽能分别对电网三相电压的频率、相位和幅值进行跟踪，但算法复杂。

基于双dq变换的SPLL法能得到三相电量的正、负序分量，但算法中需要采用低通滤波器，从而难以取得满意的动态性能。

本文对该方法进行了扩展，提出了一种正负序级联延时信号消除法，该方法采用了多级级联DSC，对三相电压电流基波正负序分量准确提取的同时实现了任意次谐波的滤除，由于无需采用滤波器，该锁相环还同时具备良好的动态性能。

一、低压穿越技术的概念与要求风力发电系统低压穿越能力(LVRT)是指风电机组在并网点电压跌落时能够保持并网运行，并向电网提供无功电流，支持电网电压恢复的能力。

直驱永磁同步风机低电压穿越控制方法文章阐述了用于直驱永磁同步风力发电系统暂态分析的传动轴系的双质块模型和全功率变流器数学模型，分析了低电压故障下直驱永磁风力发电系统的暂态特性。

提出了相应的变流器改进技术措施。

标签：直驱永磁同步风机；低电压穿越；控制策略前言风能电力在电网供电中的比重逐年上升，因此，必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响。

电网故障引起电压跌落会带来一系列暂态过程，如过电压、过电流或转速升高等。

风力发电机组在这种情况下立即解列以自我保护。

当风电在电网中占有较大比例时，这种自我保护式解列会增加系统恢复难度，甚至使故障恶化。

新的入网规则要求，电网电压跌落时，风力发电机应不脱网运行，向电网提供无功功率，直到电压恢复，这就是低电压穿越（Low voltage ride through，LVRT）。

风力发电包含两个过程，第一个就是将风能转化为机械能，第二个就是将转化来的机械能转换为电能。

其中风能到机械能的转换任务由风力机完成，从机械能到现实所需要电能的转换任务则由发电机及之后的变流设备完成。

本文研究的风力发电过程采用变速恒频直驱永磁同步发电机，采用该类型电机是由于其成本低，控制方法简单，也就意味着控制失效率更低。

在该风力发电系统中，所有的发电机的转子都要和风力机的转子通过连接装置进行连接，所以风速的变化会导致发电机的输出功率大小的变化，由于风速是不确定的，所以最终从风机发出的电能是电压幅值、频率都会变化的交流电，全功率变换电路的作用就是将其变为恒定频率的交流电后输入电网，很大程度上提高了系统效率。

1 永磁风机的基本结构永磁直驅风力发电系统采用的是永磁同步发电机，该系统主要包括：（1）永磁同步发电机：由于定子采用永磁材料，所以不需要加装定子绕组，其结构会大大简化，其转化效率相较于其他类型电机要略胜一筹；（2）风力机：将吹过风轮的风的动能转换为机械能，在此期间会有一定的能量损耗，然后再通过连接装置带动发电机转子转动，然后发电机将转子的动能转化为电能，在整个由风力到电力转化的过程中，整个机组能量的转化率主要取决于风力机的能量转化效率，可以说是风力机的核心部件；（3）变流器：对于并网的风电系统来说，发电机与电网之间的变流器是十分重要的部分，也是控制系统的直接控制对象。

永磁直驱同步风电机组低电压穿越的技术改造[摘要]并网风电机组脱网事故频发,引发风电行业各方的高度关注，一场以提高并网风电机组低电压穿越(LVRT)能力的技术改造正在迅速的展开。

永磁直驱同步风电机组(PMSG)以其优越的性能，装机逐年上升。

文中从PMSG的并网技术和国家并网标准出发，分析了PMSG主要的LVRT技术改造方案,并对控制策略进行了比较分析，提出了具有现实意义的PMSG的LVRT技术改造方案。

【关键词】PMSG；LVRT无功补偿；控制策略；技术改造引言风电装机容量逐年上升,并网风电穿透率不断提高，风电对电网性能的影响越来越大。

《中国风电发展路线图2050》预计到2050年，我国风电装机容量将占电力总装机容量的26%，风电将满足17%的国内电力需求[1]。

近期频发的风电机组大规模脱网事故，首要的原因是发生故障的风电机组不具备一定的LVRT 能力。

而目前我国上网风电机组中，仍有许多不具备LVRT能力，LVRT的技术改造时间和方案无疑成为风电行业关注的焦点。

1.LVRT技术与现行要求LVRT是指在电网故障引起电压跌落时,风电机组能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

电压跌落会给电机带来一系列暂态过程,如出现过电压、过电流或转速上升等,严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。

风电并网国家标准规定:对于风电装机容量占电源总容量比例大于5%的省(自治区)级电力系统，其区域内新增运行的风电场应具有LVRT能力[2]。

要求：①风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms。

②风电场并网点电压在发生跌落后2S内能够恢复到额定电压的90%时,风电机组不脱网。

③在电网故障期间没有切出的风电机组，其有功功率在故障清除后应以至少以10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的状态。

2.PMSG的LVRT技术改造方案的分析PMSG永磁直驱全功率变流技术，在LVRT方面较感应异步(FSIG)和双馈异步(DFIG)系统有先天优势。

2.1 研究内容(1)基于永磁同步发电机的背靠背全功率变流器直驱风电系统的数学建模，包括永磁同步发电机、全功率变流器、为应付电网故障采取的直流侧卸荷电路和故障前后变桨操纵策略，故障前后，风电系统操纵策略软件算法实现，采纳Matlab仿真工具的S函数编写故障前后的操纵算法，便于DSP程序移植，为电机优化操纵策略、变流器四象限运行、低电压穿越和对电网进行动态无功补偿等技术提供支持和依据。

(2)电网电压的快速、准确检测是提高风电机组低电压运行特性的先决条件，风电场出力的间歇性和波动性决定了电网电压刹时跌落通常伴有不对称和相位跳变；需要提出一种能够提高基波电压正序分量的检测精度，缩短响应时刻，同时能提供网侧变流器运行在STATCOM 模式所需的电压补偿指令信号和为变桨执行机构提供故障信号。

(3)电网故障前后，变桨操纵策略的研究。

在电网电压正常时，执行风电机组“通用”的变桨操纵策略；一旦接收到检测环节提供的故障信号，通过执行故障下的变桨策略，最大限度地调剂桨距角，来快速减少吸收的风能，提高系统的低电压穿越能力。

(4)永磁同步发电机的优化操纵策略，无齿轮箱直驱风电机组通常工作在低速条件下，电机参数测量不准确或参数随工作条件不同而产生的转变，为使操纵策略对电机参数波动和外部干扰具有较强的适应性，同时提高动态响应能力，采纳自适应操纵对电流操纵策略进行改良。

(5)为实现低电压穿越功能，在背靠背变流器直流侧增加由DC-DC双向变换器和超级电容器组成的Crowbar电路，能够与直流侧电容进行双向能量互换。

正常运行时，调剂超级电容器的充放电，使直流侧电压加倍稳固；故障情形下，超级电容器可快速吸收直流侧的“故障”电流，维持直流侧电压稳固，并可为网侧变流器运行在STATCOM模式提供更好的“支撑”。

(6)研究电网故障条件下直流侧Crowbar电路与电网侧变流器和谐工作的操纵策略，当电网侧变流器能够保证直流侧电压稳固时，不投入Crowbar电路；不然由Crowbar电路来维持直流侧电压稳固。

Science &Technology Vision科技视界作者简介:薛荣辉(1978—),女,西安航空学院,讲师,研究方向为电力电子与电力传动。

0引言随着现代科学技术的发展,能源的消耗日益增加,煤、石油、天然气等不可再生能源存储量日益减少,发展可再生能源是解决能源问题的重中之重,风能作为一种清洁能源,随着电力电子技术的发展,百年来发展比较成熟。

风力发电系统的装机容量也日渐增加,风能经过风力机转换为机械能带动电机转动在经过变流器得到与电网同频的交流提供给电网。

风电系统现在用的比较广泛有双馈感应风电系统和直驱永磁同步风电系统,由于直驱永磁同步风电系统不需要齿轮箱,节省了维修费用,所以直驱风电系统更具有优势,本文研究直驱永磁风力发电系统。

随着风力发电的比重增加,需要考虑电网电压发生变化时对风力系统的影响,以及风力系统对电网的影响。

而世界各国的电网运营商制定并网准则对并网风电场的输出的特性作出严格规定,并网导则中一项重要内容为要求风电场具有低压穿越能力[1]。

1低压穿越低压穿越(LVRT-Low Voltage Ride Through),是指在电网电压突然降落时,风力系统在不解列的情况下,继续给电网提供所需的无功功率,直到电网恢复正常,风力发电系统恢复正常运行的过程。

从电力系统稳定性分析,如果在电网发生电压跌落时,风力系统保护装置启动,直接从电网解列,兆瓦级风力发电系统将造成电网崩溃,为此研究直驱永磁同步风力系统的低压穿越[2],具有重要意义。

需要采取一定的保护措施对网侧变流器进行过流保护,网侧一般是采用改进前馈控制方案,主要任务是控制系统使得机侧变流器和网侧变流器两侧功率平衡。

但是如果严重故障时,仅靠控制系统的调节,不能解决问题,常用的是采用Crowbar 保护电路,在电网电压发生突降时,能够提供吸收多余能量的通道,使得系统功率平衡。

电网电压突降,机侧输出功率不变,网侧输入功率突降,造成系统输出输入功率不平衡,造成直流母线电容电压上升。

关于直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的思考作者：孙嘉来源：《科学与信息化》2018年第04期摘要随着风力发电机组装机容量的不断提升，各国在电网准则中对风力发电机组的低压穿越能力提出了更高要求。

本文根据以往工作经验，对直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的常见类型进行总结，并从电压跌落、三相对称跌落中网测变流器分析、直驱型风力发电系统低压保护、无功支持控制策略四方面，论述了直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的实现方式。

关键词永磁风力发电系统；低压穿越技术；无功支持前言人类社会的发展离不开能源支持，随着工业生产技术的进步，世界各国对能源的需求量正在逐渐增加，导致不可再生能源的消耗速度越来越快。

站在可持续发展角度考虑，人们需要对一些清洁能源、可再生能源等进行深入研究，避免能源枯竭，提高地球环境质量。

最重要的是，可再生能源能够实现资源的循环利用，从而实现国家发展潜力的有效提升。

1 直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术的常见类型1.1 撬棒电路撬棒技术最早出现在双馈式风力发电机组之中，主要的作用是对转子变流器提供保护作用。

撬棒电路在一般电路中主要起转子短路保护作用，该电路可直接接入到转子的绕组当中，避免电流和电压出现过高情况。

一般来说，电网在发生故障之后，应紧急启动撬棒电路，此时转子侧等转换器便会退出运行。

当故障完全被消除之后，撬棒电路会被切出，为系统正常运行提供基础条件。

在直驱式风力发电系统中的撬棒电路与机组中的应用方式大致相同。

目前，国内外有很多学生对低压穿越技术进行了研究，其中常用的研究方案包括以下几种类型：第一，在发电机的定子侧增加电阻阻值；第二，在电网侧加入保护电路；第三，在母线上接入还能单元；第四，在直流母线上安装储能单元。

1.2 发电机定子侧增加保护电路在发电机定子侧保护过程中，相关工作人员最先想到的便是将撬棒保护方案加入到定子层的发电机中，形成卸荷电路。

一般来说，卸荷电阻可通过功率开关与发电机的定子侧相互连接。

有关风力发电低电压穿越技术的分析摘要：近些年来，风力发电在供电总量中的比重逐年增加，再加上风力穿透功率的不断上升，风力发电对于地区性电网稳定性影响越来越大，如果电网出现故障导致电压跌落，风力机组通过解列来解决问题势必会造成系统的不稳定，严重还会造成局部甚至是整个系统的全面崩溃，而低电压穿越技术就是在这个背景下开始受到各界的关注。

文章首先描述了我国目前风力发电低电压穿越技术的相关规定，其次分析不同风机主要机型在电网电压跌落时表现的具体特征，最后对不同机型暂态特征以及低电压穿越技术进行了详细分析。

关键词：风力发电；低电压；穿越技术中图分类号： TM315 文献标识码： A1.前言当今世界风力发电厂装机容量正处于逐年上升的态势，目前在欧美一些发达国家，风力发电在全国电网供电中所占的比重非常高，例如欧洲的丹麦风力大点比例已经超过了20%，而风力发电有比较容易产生运行故障，所以必须考虑在电网发生故障的时候风机的运行状态对整个电网稳定性的影响，所以目前世界上众多的电网公司都集合自身实际对风力发电机组并网提出了更多更高的技术性要求，而低电压穿越技术正是能够解决这个问题的新技术，而低电压穿越技术又是公认的风电机组设计中最难的一项技术，穿越技术的使用性能将会直接的影响到风机的大规模使用。

低电压穿越技术就是在风机并网点电压出现跌落现象的过程中，风机仍然能够保持并网，甚至还可能会给电网提供一定量的功率，支持电网的恢复，还有可能直接坚持到电网恢复正常。

电压跌落必然会给电机带来相应的暂态过程，例如过电压、过电流或者是转速上升等现象，情况严重还会影响到风机以及风机控制系统安全运作。

通常情况下如果是电网出现故障，风机就会实行被动式的自我保护程序，也就是立刻解列，还会保障风机的安全运行，这在风力发电电网穿透率相对较低的时候是可以接受的，但是一旦风力发电在整个电网中占得比重很大，那么整个系统的恢复难度就会增加，可能会增加故障产生的可能性，严重的会导致整个系统的解列瘫痪，所以有效的低电压穿越技术能够有效的稳定风场电网。

风力发电低电压穿越技术探究摘要：现如今，我国对于风电等新型能源比较重视。

风力发电机组在运行过程中，对于自然因素的依赖性较大，风力的不确定性使得其很容易出现电压跌落的情况，要求技术人员能够借助低电压穿越技术来对电压跌落带来的问题进行解决。

本文低压穿越技术展开了相关探究。

关键词：风力发电；低电压；穿越技术引言：近些年来，全球的风力发电行业发展十分迅速，发展前景可观，各个国家都十分重视风力发电技术，风电机组装机容量不断提升，即使在全球经济衰退的大背景下，在制造业行业中整个风电累计装增量的增长率依然遥遥领先。

由于我国的能源短缺问题、环境污染问题比较严重，风电技术由于清洁、可靠、无需进口的优势成为了发展的重点项目。

我国可以开发的陆地风能资源大约分别为253GW，海洋风能资源大约为750GW。

风电电源在应用中需注重与电网的协同运行，相关的研究包括电网风电接纳能力、风电机组低电压穿越能力等，但这些研究相对独立，对于技术之间的相互影响及制约作用等处于研究的空白阶段。

1风力发电低电压穿越概述1.1低电压穿越技术在发电中，造成低电压的原因一方面是来自电源输入侧的低电压，主要是由于电网电压的波动或主电力线路切换、雷击使电源正弦波幅值受影响、电厂本身的变压器超载或负荷不平衡等；另一方面，是来自负载侧的低电压，主要是大型设备启动和应用、线路过载或启动大型电动机等。

低电压穿越指当风力发电网络的电压下降时，风机依然能够维持电网的正常运行，并且向电网提供部分无功功率，直至电网恢复正常，穿越低压时间。

在不同国家和地区，对于低压穿越有着不同的要求，我国的标准是①风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；②风电场并网点电压在发生跌落后 2s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电机组保持并网运行；③风电场所处电力系统频率在49.5Hz~50.2Hz 范围内，并网机组应正常连续运行；风电场所处电力系统频率在48Hz~49.5Hz(含48Hz)范围内，并网风电机组应不脱网连续运行 30min（图片1为风电场低电压穿越要求）.和美国风能协会AWEA的标准比较接近。