風力發(fā)電機組故障穿越問題探討*

鄭翔宇， 趙廷紅， 董開松， 艾斯卡爾， 馬喜平， 李 臻

(1. 甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050；2．蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050；3. 新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引 言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，風電、太陽能等可再生綠色能源日益受到世界各國的高度關注。其中，風力發(fā)電作為技術最成熟、應用規(guī)模最大的一種可再生綠色能源發(fā)電技術。中國風電裝機總容量迅速增長，已于2010年底超越美國成為全球風電裝機總容量第一的國家。

過去，單個風電場的裝機容量相對較小，或不存在百萬千瓦級風電場群集中接入電網的工程案例。因此，電網故障導致的風電場/風電機組的自動解列不會對電網安全、穩(wěn)定運行造成影響，保護了風電機組自身安全。目前，風電集中接入電網的裝機容量比例已達到很高的水平，若風電機組還不具備對電網故障的抵御能力，一遇電網故障就自動解列，會增加局部電網故障的恢復難度，惡化電網穩(wěn)定性，甚至會加劇故障導致系統(tǒng)崩潰。

為了維持電網的安全、穩(wěn)定運行，各國電網公司根據本國電網自身實際對風電場的電網接入提出了嚴格的技術要求，其中風力發(fā)電機組的故障穿越能力要求被公認為是最具挑戰(zhàn)性的技術要求。

本文研究了主流風電市場的風電并網規(guī)程，歸納并分析了風力發(fā)電機組設計所面臨的故障穿越問題。重點探討了風力發(fā)電機組故障穿越諸多問題，如3種主流風電機組故障穿越能力與電力系統(tǒng)之間的相互影響，及風力發(fā)電機組故障穿越設計方案。

1 風電機組故障穿越概念

世界各國標準對風電機組故障穿越能力的定義基本一致，其基本內容可概括： 當電力系統(tǒng)擾動引起并網點電壓超出標準允許的正常運行范圍時，在一定的電壓范圍及其持續(xù)時間間隔內，風電機組能夠按照標準要求保證不脫網連續(xù)運行，且平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)的一種能力。

通過對各國標準的研究發(fā)現(xiàn)，故障穿越包括低電壓穿越(Low Voltage Ride Through， LVRT)和高電壓穿越(High Voltage Ride Through， HVRT)兩種概念。目前澳大利亞等國對于HVRT已有明確的標準規(guī)定，但在我國還處于空白狀態(tài)；目前各國對于LVRT并網規(guī)程都有明確要求，是風電機組最普遍、重要的故障穿越能力，也是本文主要探討對象。

2 各國并網規(guī)程低電壓穿越技術要求

通過對各國標準歸納后發(fā)現(xiàn)，風電機組低電壓穿越問題的重點指標有如下幾項。

2.1 故障類型及其嚴重度

風電機組應穿越的電網“低電壓故障”類型包括對稱故障和非對稱故障；故障嚴重度是指故障期間的并網點電壓有效值離其標稱值的最大偏移量百分比。

中國標準要求“風電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風力發(fā)電機組能夠保證不脫網連續(xù)運行625ms”?？芍琇VRT最大深度指標在中國規(guī)程中的取值為20%的額定電壓。大多數風電發(fā)達國家的并網規(guī)程都比中國嚴格，都提出了零電壓穿越(Zero Voltage Ride Through， ZVRT)要求；而故障類型也是對稱故障和非對稱故障。

2.2 故障持續(xù)時間

就LVRT要求而言，德國E.ON標準規(guī)定“風電場并網點電壓跌至0%標稱電壓時，風力發(fā)電機組能夠保證不脫網連續(xù)運行150ms”，即在德國E.ON電網中LVRT持續(xù)時間指標的取值為150ms。最嚴格的標準是芬蘭等北歐國家標準，要求風電場在0%標稱電壓下持續(xù)工作至少250ms。

2.3 故障期間的功率控制要求

該指標包括風電機組在LVRT期間的有功功率和無功功率控制要求。大多數國家對LVRT期間的風力發(fā)電機組有功控制并無清晰要求，只有丹麥標準要求風電機組在LVRT期間根據電網電壓實際值按照一定比例關系盡可能地多發(fā)有功功率。對于LVRT期間的風力發(fā)電機組無功控制，大多數國家都有明確的規(guī)定，如中國標準要求“當電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落，且并網點電壓處于標稱電壓的20%～90%時，風力發(fā)電機組應能通過注入無功電流支撐電壓恢復(動態(tài)無功電流控制的響應時間≤75ms，持續(xù)時間應≥550ms)；風電場注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流應為IT≥1.5×(0.9-UT)IN。其中，UT(0.2≤UT≤0.9)為并網點電壓標幺值，IN為風電場額定電流”。

2.4 故障恢復時間及后期控制要求

該指標包括： 故障恢復時間；故障結束后的有功功率恢復速度；故障結束后的無功功率控制要求和故障結束瞬間的電氣超調量控制問題。

以故障恢復時間為例，中國標準要求“當風電場并網點電壓在發(fā)生跌落后2s內能恢復到標稱電壓的90%時，風力發(fā)電機組能夠保證不脫網連續(xù)運行”，故LVRT恢復時間要求為2s。因此，故障恢復時間取決于各國電網的實際狀況，存在較大的差異性。

LVRT結束后的風力發(fā)電機組有功功率恢復速度，目前最嚴格的標準是德國E.ON準則，要求風電場以20%PN/s的速度恢復到故障之前的值。

LVRT結束后的無功功率控制，該指標的主要意圖是故障結束(電壓恢復到(90%～110%)Un的電壓區(qū)域)后使風電機組的電網側電壓盡快恢復到標稱電壓附近?？梢?，故障結束后的無功功率及其持續(xù)時間的控制取決于電壓的恢復情況。

LVRT結束瞬間的電氣超調量(Over-shoot)控制，規(guī)程內容的根本意圖在于保證風電機組的各個涉網電氣保護在故障結束瞬間不被觸發(fā)。當然，電氣超調量的幅值越小越好，進入穩(wěn)定工作點的速度越快越好。

2.5 電壓故障的重現(xiàn)頻次(二次穿越)

大多數國家對此并無明確要求，只有丹麥標準要求“在兩分鐘之內至少兩次低電壓故障穿越”來考核風電機組的LVRT能力。

2.6 控制響應速度

包括故障類型判別速度和故障發(fā)生瞬間后無功功率響應速度兩個要素。一般而言，當發(fā)生電網故障時，風電機組先試圖對故障類型進行快速判別以確定故障期間的有功/無功功率的控制方式。此外，風電機組控制器對電網故障類型快速完成定性后，還要快速進行無功功率調節(jié)以支持電網電壓的恢復。

3 電網電壓故障對不同風電機組的影響

目前，市場上的主流風電機組有3類，分別是直接并網的恒速異步風電機組、雙饋異步風電機組、直驅永磁同步風電機組。電網短路故障(因篇幅原因只分析低電壓故障問題)對各種機型的影響簡述如下。

3.1 恒速異步風電機組在電網故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

恒速異步風電機組系統(tǒng)主回路拓撲結構如圖1所示。由圖1可知，發(fā)電機直接連接到電網。這種較強的電壓和頻率耦合使電網故障直接反應在電機定子電壓和轉速上，最終產生較大的轉子電勢和轉子電流。

圖1 恒速異步風電機組系統(tǒng)主回路拓撲結構

此外，在故障過渡過程中，電機電磁轉矩波動較大，對齒輪箱等部件產生機械沖擊，會導致部件損壞或機組壽命縮短。

還有，電網故障會降低定子電壓，風電機組輸出功率也跟著降低，必然導致發(fā)電機轉速的上升。轉速的上升會增加風電機組從系統(tǒng)吸收的無功功率，進一步惡化電網電壓的恢復，嚴重時將導致系統(tǒng)的電壓崩潰。

3.2 雙饋風力發(fā)電機組在電網故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)主回路拓撲結構如圖2所示。由圖2可知，電網電壓的跌落會導致風電機組轉速上升，對傳動系統(tǒng)造成機械沖擊。在電網電壓跌落瞬間，發(fā)電機定子上的大電流，必然引起轉子側較大的感應電流。而在電網電壓恢復瞬間，因雙饋風力發(fā)電機組從電網吸收無功功率來恢復氣隙磁鏈，導致定子側注入較大的浪涌電流，造成發(fā)電機電網側電壓的降低。另外，轉子側由于采用了小功率變流器并網，變流器過流能力和DC環(huán)節(jié)的過電壓能力都非常有限，需要在電壓、電流和有功功率控制之間要很好地匹配，以保證功率器件不被過電壓、過電流損壞。可見，雙饋風電機組在故障期間的暫態(tài)行為較復雜，故障穿越實現(xiàn)難度較大。

圖2 雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)主回路拓撲結構

3.3 直驅風力發(fā)電機組在電網故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)主回路拓撲結構如圖3所示。發(fā)電機經過AC-DC-AC全功率變流器與電網相接，發(fā)電機輸出側與風電機組的電網側已被“頻率/電壓-解耦”。風力發(fā)電機組的故障穿越能力等并網特性主要跟變流器有關。當電網電壓跌落時，電網側逆變器電流不能突變，注入電網的有功功率迅速減少。為傳送等同的有功功率，逆變器應增加輸出電流，但電壓跌落到一定深度時，因回路電流不可超過逆變器IGBT能承受的最大電流，注入電網的有功功率受到限制。這樣必將導致DC電容輸入功率大于逆變器注入電網的輸出功率，DC電容電壓上升，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至導致部件損壞或更嚴重的后果?？梢?，直流側過電壓是因DC回路輸入能量和輸出能量的不平衡引起，釋放這一部分多余的能量是保證直驅風力發(fā)電機組故障穿越能力的根本途徑。

圖3 永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)主回路拓撲結構

4 風力發(fā)電機組LVRT能力對系統(tǒng)的影響

已有許多文獻研究了風電機組/風電場的故障穿越能力，尤其是風電機組的LVRT特性對系統(tǒng)的影響。工程實踐也說明風電機組/風電場的故障穿越特性對電力系統(tǒng)有著不可忽視的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

工程經驗說明具備故障穿越能力的風電場比不具備該能力的風電場具有更好的穩(wěn)定性，尤其是在像中國酒泉地區(qū)這種大規(guī)模風電場群高度集中接入的電網中。從電網大系統(tǒng)而言，當功角臨界失穩(wěn)時，電壓會降低，而風電機組對電壓比較敏感。電壓的降低會導致風電機組電壓保護的動作，進一步惡化系統(tǒng)電壓。

(2) 對系統(tǒng)電壓控制的影響。

一個風電場一般會含有多種風電機組機型，各風電機組機型在故障情況下的無功功率調節(jié)特性不同。風電場主變低壓側也會配有各種類型的無功功率補償設備，如并聯(lián)電容器組、SVC、SVG等?？梢?，風電機組在故障期間的故障判別速度及其對應的功率控制(有功功率控制和無功功率控制)方式不僅影響到故障期間的系統(tǒng)無功功率需求和系統(tǒng)潮流分布，而且對電壓控制的精度和效果帶來一定的影響。因此，風電機組應按照標準要求嚴格執(zhí)行相關故障穿越控制任務。

(3) 對系統(tǒng)發(fā)電計劃，系統(tǒng)規(guī)劃等的影響。

按照目前的電網現(xiàn)狀，假設風電機組可以不具備故障穿越能力，則整個系統(tǒng)的架構都要發(fā)生改變，如風電場的接入規(guī)模、系統(tǒng)安穩(wěn)裝置配備、系統(tǒng)保護配置及其設定等，會涉及很多方面，在此不再細述。

5 風電機組LVRT能力實現(xiàn)方案

5.1 恒速異步風電機組LVRT技術方案

使恒速風力發(fā)電機組具備LVRT能力的基本思路： 當電網電壓跌落時，通過采用一定的技術措施和外加的硬件設備，避免發(fā)電機大轉差率的發(fā)生，防止較大的定子電流、定子電壓和轉矩波動對風電機組相關部件的損壞，同時保證風力發(fā)電機組不脫網連續(xù)運行；另外，在電網跌落期間，還應避免飛車現(xiàn)象和風力發(fā)電機組額外無功功率需求對電網電壓恢復的惡化作用。

目前，LVRT的實現(xiàn)方法是在發(fā)電機和電網之間串聯(lián)一套專用LVRT設備。

5.2 雙饋風力發(fā)電機組LVRT技術方案

有兩種技術措施： 增設變流器轉子側Crowbar電路和變流器直流側Chopper電路。

針對電網電壓跌落，雙饋采取如下策略。

(1) 對較小的電壓跌落，可通過控制策略的調整使其具備LVRT，無需Crowbar等設備。

(2) 對大一些的電壓跌落，因直流過電壓與轉子側過電流，Crowbar電路應投人運行以避免大電流損害變流器功率器件。此時，轉子側變流器被Crowbar電路阻斷，電網側變流器保持與電網的連接以控制直流母線電壓。

(3) 對較大的電壓跌落，因較大的直流過電壓與轉子側大電流，Crowbar電路和Chopper電路均投入運行以避免變流器損壞。

5.3 直驅風力發(fā)電機組LVRT技術方案

由圖3知，永磁直驅發(fā)電機組主回路功率平衡方程式為

(1)

式中：Pgen——發(fā)電機輸出有功功率；

Pgrid——風力發(fā)電機組系統(tǒng)注入電網的有功功率；

Pdc——變流器直流母線功率；

Udc——直流側電壓；

Idc——直流側電流；

Cdc——直流側穩(wěn)壓電容。

由式(1)可知，保證直驅風力發(fā)電機組滿足LVRT的最根本途徑是把DC-Link回路的多余能量按要求轉移出去。目前，比較有效的方法有： (1) 在DC-Link加裝額外儲能裝置；(2) 通過Chopper電路的卸荷電阻以熱量形式進行能耗制動。

6 結 語

隨著風電在電網中比例的增加，風電故障穿越問題越來越受到各方重視。電網實際運行需要也要求風電機組必須具備相應的故障穿越能力。

風電機組的故障穿越過程是一種非常復雜的暫態(tài)過程，如何精確確定系統(tǒng)對風電的接入要求，優(yōu)化設計風電機組，進而從系統(tǒng)層面實現(xiàn)整個大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和經濟性是相關各方必須重視的問題。就風電的故障穿越問題而言，至少有如下幾個問題需要引起重視。

(1) 繼續(xù)完善國標GB/T 19963—2011，細化穿越能力考核指標。如“故障判別速度”，“無功支持響應速度”，“二次穿越問題”，“有功功率控制”等問題都要有明確規(guī)定。

(2) 以具體電網對具體風電場的實際要求為首要的接入技術條件，充分進行項目合同之前的風電場接入計算，以計算結果為導向合理配置風電場設備，既保證系統(tǒng)安全性，又保證投資最優(yōu)化。

(3) 風電場的繼電保護問題跟風電機組的故障穿越問題應統(tǒng)一考慮。風電機組/風電場的繼電保護問題是風電場所接入局部電網安全穩(wěn)定運行的重要防線，也是風電場故障穿越成功的重要保障。風電機組的短路電流特性各異，短路電流貢獻程度不一致，風電場的潮流分布和短路電流分布特性是否符合傳統(tǒng)繼電保護裝置或自動安穩(wěn)裝置的保護原理應引起足夠重視。

風電機組的故障穿越能力是風電機組最重要的性能指標之一。風電場/風電機組故障穿越各相關技術問題有待持續(xù)、深入研發(fā)和實踐。

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