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摘要： 本文介绍了风力发电机组变桨系统电压穿越的设计方案，详细阐述了其关键技术的解决方法，并且对设计方案的进行了充分的论证和测试。
关键词： 风力发电机; 变桨系统; 低电压穿越; 高电压穿越
中图分类号： TP273 文献标识码： A
Abstract： A design scheme of voltage ride through which is used in pitch system of wind turbine is introduced in this thesis. The solution to the key techniques of the design scheme is described particularly. Meanwhile， the design scheme is verified and tested.
Key words： wind turbine; pitch system; LVRT; HVRT
1 引言
并网型风力发电机组从20世纪90年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过多年发展，容量已经从数十千瓦级增大到兆瓦级。
然而随着风力发电机组容量的不断增大，出于对电力系统稳定性的考虑，电网期望风力发电机组的功能和表现更加接近于传统的发电机组。也就是说要求风力发电机组能够积极参与提高电力系统稳定性和可靠性的调节工作。常规的风力发电机组，当电网电压跌落或者升高到一定值时，风力发电机组便会自动脱网或报警，但对于容量较大的风电系统脱网会造成电网电压和频率的崩溃，给工业生产带来巨大损失。为了使风力发电机组在电网电压瞬间跌落或者升高时仍能保持并网，电网安全准则要求风力发电机组具有一定的低电压和高电压穿越能力。
2 电压穿越简介
风电机组电压穿越包括低电压穿越和高电压穿越。
低电压穿越（Low Voltage Ride Through，简称LVRT）是指风力发电机组并网状态下遇到电网故障或扰动引起电压跌落时，风机能够在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组保证不脱网运行的能力。
而高电压穿越（High Voltage Ride Through，简称HVRT）是指风力发电机组并网状态下遇到电网故障或扰动引起电压升高时，风机能够在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组保证不脱网运行的能力。
当风力发电机组能够在电网电压跌落或者升高时，保持与电网连接，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低/高电压区域，则具有故障电压穿越能力。这样风力发电机组可躲过保护动作时间大大减少风电机组的反复并网次数，从而减少对电网的冲击。
目前，我国已制定出了风力发电机组故障电压穿越能力的规范要求，可以用图1所示的风电机组故障电压穿越曲线表示。当风电机组并网点电压处于曲线1及以上和曲线2及以下的中间区域时，要求风电机组不脱网运行，当风电机组并网点电压处于曲线1以下或曲線2以上区域时，风电机组可以从电网切出。这就要求风电机组须具备如下低电压和高电压穿越能力：
（1）低电压穿越能力
在电压跌落至20%额定电压时能够保证正常持续运行625ms的能力;
在电压跌落至35%额定电压时能够保证正常持续运行920ms的能力;
在电压跌落至50%额定电压时能够保证正常持续运行1214ms的能力;
在电压跌落至75%额定电压时能够保证正常持续运行1705ms的能力;
在电压跌落至90%额定电压时能够保证正常持续运行20s的能力。
（2）高电压穿越能力
在电压升高至130%额定电压时能够保证正常持续运行500ms的能力;
在电压升高至125%额定电压时能够保证正常持续运行1000ms的能力;
在电压升高至120%额定电压时能够保证正常持续运行2000ms的能力;
在电压升高至115%额定电压时能够保证正常持续运行10s的能力;
在电压升高至110%额定电压时能够保证正常持续运行的能力。
3 变桨系统电压穿越设计方案
3.1变桨系统介绍
变桨系统一种风力发电机组叶片的调节装置，风力较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小;？风力小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。变桨系统在额定风速附近（以上），依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的风能，一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应），同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。
变桨系统安装在风机的轮毂上，由变桨驱动电机、控制系统、变桨轴承及齿轮箱组成。变桨控制系统有四个主要任务：
（1）通过调整叶片角把风机的电力速度控制在额定风速之上的一个恒定速度。
（2）当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶片转回到气动刹车位置（安全运行）。
（3）调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。
（4）通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。
3.2 设计方案
风力发电机组变桨系统的变桨驱动电机以及相关控制设备的供电取自从发电机滑环上的市电（3×400VAC）。因此，当电网电压出现跌落或升高时，变桨系统就必须有这样的故障电压穿越能力，从而保证整个机组稳定运行。因此，变桨系统需要配置相关电源设备进行隔离保护，抑制电网电压的跌落和高压浪涌，保证变桨系统供电电压的稳定可靠，从而实现故障电压穿越功能。
然而，目前市场上很难直接采购到能够适用于变桨系统的三相交流电稳压电源，而采用定制或者重新开发此类产品又面临着开发周期长，成本高等问题。鉴于此情况，提出了用变频器、LC滤波电路以及三相干式变压器组成稳压电源的设计方案，如图3所示，从而有效解决稳定电源的问题。
3.3 方案论述
图3中的设计方案，由于变频器中间的储能环节，对于短时间内输入电压的波动，输出电压可维持稳定。而且，即使在电压跌落至零时，变桨系统内部的蓄电池亦可支撑10秒左右。因此，变频器在某种程度上具有稳压电源的功能。
但是，变频器输出是等效于正弦波的PWM波形，如图4所示，存在丰富的谐波，这对变桨系统的供电质量影响很大。为了解决该问题，有效的方法是在变频器的输出端增加LC正弦滤波器，将PWM波形滤成接近正弦的电压波形，使输出电压的谐波总畸变率（Total Harmonic Distortion）hTHD低于5%。LC滤波器具有结构简单，可靠性高的特点，在变频器输出滤波设计中是首选，对于通用变频器的输出利用LC滤波器进行滤波及控制，就可得到比较理想的变频电源和电压波形。
对于滤波电感L的选择，首先考虑基波在电感上的压降不能超过一定范围，一般要求在3%～5%，其次电感值的选择要使谐波电流的有效值在逆变器容量的10%～20%，否则逆变器可能由于諧波电流过大而进入保护状态。而滤波电感C在低频即调制基波频率范围时，容抗大于感抗，此时电容是主要的限流元件，电容值决定电容支路的基波电流，从而影响基波损耗，选择电容时要使得空载时流经电容支路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的10%，另外电容电感值的选择还要受到截止频率的限制。
此外，由于LC滤波电路有压降的作用，这样会导致变桨系统的输入电压偏低，因此需要根据LC滤波电路参数的计算，得出压降数值，再选用相应的升压变压器，这也就是设计方案中三相干式变压器的用意所在。这样不仅保证了变桨系统供电电压的正常，同时也起到电源隔离的作用。
4 现场测试情况
目前，基于上述设计方案的风力发电机组变桨系统故障电压穿越装置已经研制成功，并且在风力发电场通过了国家电网的“故障电压穿越测试”，其中电压跌落和电压升高的测试电压规格如表1和表2所示。
5 结束语
本文介绍了一种为满足风力发电机组变桨系统故障电压穿越要求而设计的技术方案，详细阐述了其关键技术的解决方法。同时，该设计方案的故障电压穿越装置在风场测试合格，运行稳定可靠，满足国家标准的相关要求。由此证明，该设计方案具有有效性和实用性。
参考文献：
[1]叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006.1.
[2]李建林，许洪华. 风力发电系统低电压运行技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.12.
[3]马伟民，肖 飞. 风力发电变流器发展现状与展望[J]. 中国工程科学，2011/
[4]裘乔安等. 通用变频器输出滤波电路设计[J]. 上海海事大学学报，2007/
[5]梁 涛，黄 玥. 定桨距风电机组低电压穿越的控制系统设计[J]. 电机与控制应用，2015.
作者简介：
梁 涛（1982-），男，山西太原人，中船重工集团第709研究所，高级工程师，从事电气自动化研究工作。
黄 玥（1983-），女，湖北武汉人，中国人民解放军空军预警学院，副教授，从事电路系统教学和研究工作。
收稿日期：2019-01-17
关键词： 风力发电机; 变桨系统; 低电压穿越; 高电压穿越
中图分类号： TP273 文献标识码： A
Abstract： A design scheme of voltage ride through which is used in pitch system of wind turbine is introduced in this thesis. The solution to the key techniques of the design scheme is described particularly. Meanwhile， the design scheme is verified and tested.
Key words： wind turbine; pitch system; LVRT; HVRT
1 引言
并网型风力发电机组从20世纪90年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过多年发展，容量已经从数十千瓦级增大到兆瓦级。
然而随着风力发电机组容量的不断增大，出于对电力系统稳定性的考虑，电网期望风力发电机组的功能和表现更加接近于传统的发电机组。也就是说要求风力发电机组能够积极参与提高电力系统稳定性和可靠性的调节工作。常规的风力发电机组，当电网电压跌落或者升高到一定值时，风力发电机组便会自动脱网或报警，但对于容量较大的风电系统脱网会造成电网电压和频率的崩溃，给工业生产带来巨大损失。为了使风力发电机组在电网电压瞬间跌落或者升高时仍能保持并网，电网安全准则要求风力发电机组具有一定的低电压和高电压穿越能力。
2 电压穿越简介
风电机组电压穿越包括低电压穿越和高电压穿越。
低电压穿越（Low Voltage Ride Through，简称LVRT）是指风力发电机组并网状态下遇到电网故障或扰动引起电压跌落时，风机能够在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组保证不脱网运行的能力。
而高电压穿越（High Voltage Ride Through，简称HVRT）是指风力发电机组并网状态下遇到电网故障或扰动引起电压升高时，风机能够在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组保证不脱网运行的能力。
当风力发电机组能够在电网电压跌落或者升高时，保持与电网连接，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低/高电压区域，则具有故障电压穿越能力。这样风力发电机组可躲过保护动作时间大大减少风电机组的反复并网次数，从而减少对电网的冲击。
目前，我国已制定出了风力发电机组故障电压穿越能力的规范要求，可以用图1所示的风电机组故障电压穿越曲线表示。当风电机组并网点电压处于曲线1及以上和曲线2及以下的中间区域时，要求风电机组不脱网运行，当风电机组并网点电压处于曲线1以下或曲線2以上区域时，风电机组可以从电网切出。这就要求风电机组须具备如下低电压和高电压穿越能力：
（1）低电压穿越能力
在电压跌落至20%额定电压时能够保证正常持续运行625ms的能力;
在电压跌落至35%额定电压时能够保证正常持续运行920ms的能力;
在电压跌落至50%额定电压时能够保证正常持续运行1214ms的能力;
在电压跌落至75%额定电压时能够保证正常持续运行1705ms的能力;
在电压跌落至90%额定电压时能够保证正常持续运行20s的能力。
（2）高电压穿越能力
在电压升高至130%额定电压时能够保证正常持续运行500ms的能力;
在电压升高至125%额定电压时能够保证正常持续运行1000ms的能力;
在电压升高至120%额定电压时能够保证正常持续运行2000ms的能力;
在电压升高至115%额定电压时能够保证正常持续运行10s的能力;
在电压升高至110%额定电压时能够保证正常持续运行的能力。
3 变桨系统电压穿越设计方案
3.1变桨系统介绍
变桨系统一种风力发电机组叶片的调节装置，风力较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小;？风力小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。变桨系统在额定风速附近（以上），依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的风能，一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应），同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。
变桨系统安装在风机的轮毂上，由变桨驱动电机、控制系统、变桨轴承及齿轮箱组成。变桨控制系统有四个主要任务：
（1）通过调整叶片角把风机的电力速度控制在额定风速之上的一个恒定速度。
（2）当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶片转回到气动刹车位置（安全运行）。
（3）调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。
（4）通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。
3.2 设计方案
风力发电机组变桨系统的变桨驱动电机以及相关控制设备的供电取自从发电机滑环上的市电（3×400VAC）。因此，当电网电压出现跌落或升高时，变桨系统就必须有这样的故障电压穿越能力，从而保证整个机组稳定运行。因此，变桨系统需要配置相关电源设备进行隔离保护，抑制电网电压的跌落和高压浪涌，保证变桨系统供电电压的稳定可靠，从而实现故障电压穿越功能。
然而，目前市场上很难直接采购到能够适用于变桨系统的三相交流电稳压电源，而采用定制或者重新开发此类产品又面临着开发周期长，成本高等问题。鉴于此情况，提出了用变频器、LC滤波电路以及三相干式变压器组成稳压电源的设计方案，如图3所示，从而有效解决稳定电源的问题。
3.3 方案论述
图3中的设计方案，由于变频器中间的储能环节，对于短时间内输入电压的波动，输出电压可维持稳定。而且，即使在电压跌落至零时，变桨系统内部的蓄电池亦可支撑10秒左右。因此，变频器在某种程度上具有稳压电源的功能。
但是，变频器输出是等效于正弦波的PWM波形，如图4所示，存在丰富的谐波，这对变桨系统的供电质量影响很大。为了解决该问题，有效的方法是在变频器的输出端增加LC正弦滤波器，将PWM波形滤成接近正弦的电压波形，使输出电压的谐波总畸变率（Total Harmonic Distortion）hTHD低于5%。LC滤波器具有结构简单，可靠性高的特点，在变频器输出滤波设计中是首选，对于通用变频器的输出利用LC滤波器进行滤波及控制，就可得到比较理想的变频电源和电压波形。
对于滤波电感L的选择，首先考虑基波在电感上的压降不能超过一定范围，一般要求在3%～5%，其次电感值的选择要使谐波电流的有效值在逆变器容量的10%～20%，否则逆变器可能由于諧波电流过大而进入保护状态。而滤波电感C在低频即调制基波频率范围时，容抗大于感抗，此时电容是主要的限流元件，电容值决定电容支路的基波电流，从而影响基波损耗，选择电容时要使得空载时流经电容支路的基波电流不超过逆变器电流输出容量的10%，另外电容电感值的选择还要受到截止频率的限制。
此外，由于LC滤波电路有压降的作用，这样会导致变桨系统的输入电压偏低，因此需要根据LC滤波电路参数的计算，得出压降数值，再选用相应的升压变压器，这也就是设计方案中三相干式变压器的用意所在。这样不仅保证了变桨系统供电电压的正常，同时也起到电源隔离的作用。
4 现场测试情况
目前，基于上述设计方案的风力发电机组变桨系统故障电压穿越装置已经研制成功，并且在风力发电场通过了国家电网的“故障电压穿越测试”，其中电压跌落和电压升高的测试电压规格如表1和表2所示。
5 结束语
本文介绍了一种为满足风力发电机组变桨系统故障电压穿越要求而设计的技术方案，详细阐述了其关键技术的解决方法。同时，该设计方案的故障电压穿越装置在风场测试合格，运行稳定可靠，满足国家标准的相关要求。由此证明，该设计方案具有有效性和实用性。
参考文献：
[1]叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006.1.
[2]李建林，许洪华. 风力发电系统低电压运行技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.12.
[3]马伟民，肖 飞. 风力发电变流器发展现状与展望[J]. 中国工程科学，2011/
[4]裘乔安等. 通用变频器输出滤波电路设计[J]. 上海海事大学学报，2007/
[5]梁 涛，黄 玥. 定桨距风电机组低电压穿越的控制系统设计[J]. 电机与控制应用，2015.
作者简介：
梁 涛（1982-），男，山西太原人，中船重工集团第709研究所，高级工程师，从事电气自动化研究工作。
黄 玥（1983-），女，湖北武汉人，中国人民解放军空军预警学院，副教授，从事电路系统教学和研究工作。
收稿日期：2019-01-17