風機發(fā)電低電壓穿越技術(shù)探析

王裔飛

(國華(錫林郭勒)新能源有限公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

風機發(fā)電低電壓穿越技術(shù)探析

王裔飛

(國華(錫林郭勒)新能源有限公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

當電網(wǎng)故障或擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時,在電壓跌落的范圍內(nèi),風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。電力系統(tǒng)對風電場接入電網(wǎng)時的要求愈來愈嚴苛,而低電壓穿越被公認為風電機組設(shè)計及控制的難點,制約著風電機組的大規(guī)模應(yīng)用,本文筆者結(jié)合多年實踐簡要探討了風電機組低電壓穿越的問題。

風電 低電壓穿越 應(yīng)用設(shè)計

低電壓穿越能力是當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(LowVoltageRide Through，LVRT)能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行。風電機組應(yīng)該具有低電壓穿越能力:(1)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越能力; (2)風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行;(3)風電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網(wǎng)運行。

1 風機低電壓穿越的要求

通俗而言，LVRT就是風電機組的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運行，甚至繼續(xù)為系統(tǒng)提供一定無功以幫助系統(tǒng)恢復電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風力發(fā)電機能大大減少風電機組在故障時反復并網(wǎng)次數(shù)和對電網(wǎng)的沖擊，因為其可躲過保護動作時間，故障切除后恢復正常運行。

在出現(xiàn)電網(wǎng)故障電壓降低的情形下，具備了低電壓穿越能力的風電機組則可盡最大可能與電網(wǎng)連接，延續(xù)電力運能，減輕電網(wǎng)波動。一般而言，230KV及以上高電壓等級線路的故障，在6個周波(120ms)內(nèi)被切除，100ms內(nèi)電壓可恢復到15%的正常水平，而1s內(nèi)可恢復到75%的正常水平甚至更高的電壓水準，低電壓穿越能力實則是一種風電機組在故障電壓短時間消失期間，能夠保持持續(xù)運行的能力，但此后電壓仍處在低壓，則風電機組則將會被低壓保護裝置切除。

對于風電裝機容量占其他電源總?cè)萘勘壤笥?%的省級電網(wǎng)(區(qū)域級電網(wǎng))，則要求該電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)運行的風電場應(yīng)具備低電壓穿越能力。通常要求，風電場內(nèi)的風電機組要具備在并網(wǎng)點電壓跌至額定電壓的20%時，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms的能力;風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。此外，當電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障引起的并網(wǎng)點電壓跌落狀況下、當電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障引起的并網(wǎng)點電壓跌落狀況下、當電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障引起的并網(wǎng)點電壓跌落狀況下，風電場并網(wǎng)點各線電壓在規(guī)定電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，場內(nèi)風電機組必須要具備保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力;風電場并網(wǎng)點任意相電壓低于或部分低于規(guī)定電壓輪廓線時，場內(nèi)風電機組允許從電網(wǎng)切出。

2 低電壓穿越方案

在當前技術(shù)條件下，通常通過三種方案來實現(xiàn)風電機組的低電壓穿越，其一是引入新型拓撲結(jié)構(gòu);其二是采用轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù);其三是采用合理的勵磁控制算法。

在了解了電網(wǎng)電壓突然降低對發(fā)電機造成的影響及后果后，我們就會知道為什么風電機組應(yīng)該具備低電壓穿越的能力。在電網(wǎng)故障出現(xiàn)時，發(fā)電機機端電壓的突然降低，勢必形成發(fā)電機繞組磁通的變化，在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)都形成過流。在傳統(tǒng)機組中，勵磁系統(tǒng)可以通過強勵方式把電壓支撐在1pu，可以支持短路點的短路電流，如果發(fā)生磁通突變，如果轉(zhuǎn)子和定子的超載能力仍在過流數(shù)值之上，機組仍能保持造成運行。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，LVRT能力可以保證風電機組的不間斷并網(wǎng)運行，如果LVRT不具備，則發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落狀況下，風機自身的保護系統(tǒng)動作會切斷風機與電網(wǎng)的連接，電網(wǎng)電壓會降的更低，這對電網(wǎng)而言無疑是雪上加霜的打擊，嚴重情況下勢必引發(fā)系統(tǒng)整體崩潰。

3 低壓穿越的實現(xiàn)技術(shù)

風電場低電壓穿越能力的最終實現(xiàn)還是基于風電機組低電壓穿越能力的實現(xiàn)，因此風電機組具有低電壓穿越能力尤為重要。

電網(wǎng)電壓跌落對并網(wǎng)風電機組有著較大的影響。暫態(tài)過程導致發(fā)電機中出現(xiàn)的過電流會損壞電力電子器件，附加的轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力過大則會損壞風電機組的機械部件。對于雙饋式變速風電機組，在電網(wǎng)發(fā)生故障導致機端電壓跌落時，發(fā)電機定子電流增加，快速增加的定子電流會導致轉(zhuǎn)子電流急劇上升，另外由于發(fā)生故障時風輪吸收的風能不會明顯減少，而風電機組由于機端電壓降低，不能正常向電網(wǎng)輸送有功功率，即有一部分能量無法輸入電網(wǎng)，這些不平衡能量將導致風電機組出現(xiàn)直流環(huán)節(jié)電容充電、直流電壓快速上升、風電機組加速等一系列問題。

要實現(xiàn)風電機組的低電壓穿越，其關(guān)鍵是風電機組變流器保護和主控及槳距角控制的配合。實現(xiàn)雙饋式變速風電機組低電壓穿越能力的常用技術(shù)有兩種:一是在機組轉(zhuǎn)子與變流器之間增加一個旁路電路，故障時投入旁路電路將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器短路，保證變流器避開過電流的沖擊，從而起到保護作用;二是在兩個變流器之間的直流環(huán)節(jié)加入能量泄放模塊，當檢測到直流電壓過高則觸發(fā)該模塊以泄放多余的不平衡能量。

風電機組的低電壓穿越能力可以通過使用電壓跌落發(fā)生裝置對風電機組進行低電壓穿越測試來證明。不同風況對應(yīng)了不同能量水平下的風電機組低電壓穿越特性，因此需要分別進行測試，這使得風電機組低電壓穿越測試的周期較長，一般需要2個月左右。等待各種合適風況所耗費的時間，占據(jù)了測試的大部分。其次，風電機組廠商需要進行前期摸底試驗和低電壓穿越控制策略的改進調(diào)整，也占用了較多時間。

4 結(jié)語

風力發(fā)電的發(fā)展趨勢必定是建立更多具備低電壓穿越能力的風電場?，F(xiàn)行的低電壓穿越技術(shù)僅能應(yīng)對短時間的電壓跌落，且還存在諸多不足。在我國，面對具體區(qū)域電網(wǎng)和具體接入點如何合理的運用低電壓穿越技術(shù)，是擺在電網(wǎng)、風電運營商、和風機廠商面前亟待解決的共同課題。

[1]紀勇.風電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全的影響[J].農(nóng)村電氣化,2009(03).