一種風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越改造裝置研究

張鳳蓮，李淑琴

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000；2.浙江海得新能源有限公司，浙江桐鄉(xiāng)314500）

1 引言

近年來，由于風(fēng)電自身的波動(dòng)性，在大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，容易對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊。對(duì)此，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商通過制定并網(wǎng)導(dǎo)則，對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出特性提出了嚴(yán)格要求，要求風(fēng)電機(jī)組具備低壓穿越能力，即風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落等電網(wǎng)故障下，保持一定時(shí)間的不脫網(wǎng)運(yùn)行，并提供一定無功功率來支撐電網(wǎng)電壓。通過成熟的電力電子控制技術(shù)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)以上功能［1］。本文介紹了一種結(jié)合快速關(guān)斷晶閘管與IGBT整流-逆變器的低壓穿越改造方案，該方案脫離了主控和變漿，是針對(duì)老機(jī)組快速升級(jí)的有效解決方案。

2 低壓穿越改造方法工作原理

現(xiàn)在針對(duì)變速型風(fēng)電機(jī)組，主流的低壓穿越改造方法是對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，包括對(duì)主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變流器的升級(jí)改造。對(duì)于國(guó)內(nèi)一定存量較早安裝的機(jī)組，由于技術(shù)的快速發(fā)展，已很難找到相關(guān)廠商進(jìn)行升級(jí)改造，或者廠商在國(guó)內(nèi)的備件和服務(wù)等不能滿足風(fēng)電機(jī)組技改需求，在這些情況下，實(shí)施電控系統(tǒng)的升級(jí)改造變得很困難。而整體更換電控系統(tǒng)，代價(jià)過大。

采用圖1所示的低壓穿越控制設(shè)備接入到電網(wǎng)與機(jī)組之間，則是一個(gè)簡(jiǎn)捷可靠的升級(jí)方法。

圖1 低壓穿越控制設(shè)備連接入風(fēng)電機(jī)組示意圖Fig.1 The connection diagram of the LVRT control equipment in the wind power system

低壓穿越控制設(shè)備由主功率旁路和支撐回路組成，在電網(wǎng)電壓正常的工況下，由主功率旁路來提供發(fā)電機(jī)組到電網(wǎng)的功率流通路。在電網(wǎng)故障或者電網(wǎng)電壓跌落的工況下，主功率旁路迅速關(guān)斷，由支撐回路在電網(wǎng)端口輸出無功功率用以支撐電網(wǎng)電壓，同時(shí)在發(fā)電機(jī)端口跟蹤正常電網(wǎng)電壓，使得發(fā)電機(jī)以及變流器與電網(wǎng)故障隔離開來，順利實(shí)現(xiàn)低壓穿越。如圖2所示。

圖2 低壓穿越控制設(shè)備系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 The system topology of the LVRT control equipment

2.1 主功率旁路工作原理

相比于失速型機(jī)組，其在20 ms 內(nèi)主功率旁路關(guān)斷是可以接受的。而變速型機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電壓的反應(yīng)更為靈敏，因此，主功率旁路的關(guān)斷必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成關(guān)閉。否則，變流器檢測(cè)到電網(wǎng)故障，脫網(wǎng)停機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)低壓穿越。

主功率旁路通過對(duì)主路上的晶閘管進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障和發(fā)電機(jī)組的快速隔離。強(qiáng)迫關(guān)斷電路通過給每相主功率晶閘管設(shè)計(jì)輔助換流電路來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。圖3中，虛線所表示的換流路徑分別對(duì)應(yīng)主回路電流正負(fù)半周對(duì)應(yīng)開通的晶閘管的關(guān)斷。當(dāng)?shù)蛪捍┰娇刂圃O(shè)備檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，根據(jù)跌落發(fā)生時(shí)刻的相位，給對(duì)應(yīng)相的正半周或者負(fù)半周輔助關(guān)斷晶閘管發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得儲(chǔ)能電容上的電壓形成加在主回路晶閘管兩端的反向電壓，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)相主回路晶閘管關(guān)斷。圖4所示為主功率晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電流波形圖，圖4中，通道1，3分別表示A，B兩相主功率晶閘管電流。

圖3 主功率旁路晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電路原理圖Fig.3 The schematic of the forced turn-off circuit for the main power bypass SCR

圖4 主功率旁路晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電流波形圖Fig.4 The waveforms of the forced turned-off current in the main bypass SCR

從圖4 可以看出，主功率旁路晶閘管在2 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全關(guān)斷，經(jīng)過主功率回路上的適當(dāng)濾波延遲，變頻器未檢測(cè)到電壓跌落故障，能夠持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 支撐回路工作原理

根據(jù)圖2所示，支撐回路由網(wǎng)側(cè)變流器、機(jī)側(cè)變流器和Chopper 模組組成，支撐回路依靠網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器組成的IGBT 4 象限變換電路，在發(fā)電機(jī)側(cè)，輸出電壓同步電機(jī)定子電壓，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率通過發(fā)電機(jī)側(cè)IGBT 整流為直流電，部分消耗在支撐回路的Chopper 上。同時(shí)這部分有功功率，通過電網(wǎng)側(cè)IGBT來實(shí)現(xiàn)輸出支撐電網(wǎng)電壓的無功功率，支撐回路電路原理圖如圖5所示。

圖5 支撐回路主電路原理圖Fig.5 The schematic of the voltage regulator circuit

3 低壓穿越改造方法實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 低壓穿越國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB19963—2011 國(guó)標(biāo)要求，風(fēng)電場(chǎng)的低壓穿越能力應(yīng)符合圖6的要求［2］。

圖6 GB19963—2011所規(guī)定的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越運(yùn)行工況范圍Fig.6 The operation area of the wind power system in LVRT according to GB19963—2011

1）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms；2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；對(duì)電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的風(fēng)機(jī)，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開始，以至少10%額定功率/s 的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。有功恢復(fù)的變化率由主控給出。

電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有下列動(dòng)態(tài)無功支撐能力：1）當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于額定電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)；自電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起，該動(dòng)態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75 ms，并能持續(xù)550 ms的時(shí)間；2）風(fēng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)態(tài)無功電流為

式中：IN為風(fēng)機(jī)額定電流；UT為故障期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值。

根據(jù)IEC61400—21 標(biāo)準(zhǔn)，采用如圖7 所示模擬電網(wǎng)短路故障引起的電壓跌落故障［3］。

圖7 低壓穿越測(cè)試原理圖Fig.7 The schematic of the test circuit for wind power system LVRT

上述拓?fù)渲型ㄟ^控制KS1和KS2斷路器，可實(shí)現(xiàn)電壓跌落幅度的控制。

3.2 低壓穿越測(cè)試結(jié)果

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)低壓穿越控制設(shè)備的穿越性能測(cè)試結(jié)果如圖8a、圖8b所示。

圖8 性能測(cè)試結(jié)果Fig.8 The performance test results

如圖8a 所示，三相電壓跌至20%Un，故障前負(fù)載輸出功率0.23Pn。低壓穿越持續(xù)時(shí)間623 ms，低壓穿越期間雙饋?zhàn)兞髌麟娋W(wǎng)側(cè)電壓保持平穩(wěn)，旁路電流500 ms 內(nèi)恢復(fù)至故障前電流。如圖8b 所示，三相電壓跌至35%Un，故障前負(fù)載輸出功率0.8Pn。低壓穿越持續(xù)時(shí)間883 ms，低壓穿越期間雙饋?zhàn)兞髌麟娋W(wǎng)側(cè)電壓保持平穩(wěn)，旁路電流500 ms 內(nèi)恢復(fù)至故障前電流。

山西電科院的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形圖如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果波形圖Fig.9 The waveform of the field test results provided

4 低壓穿越改造方法實(shí)施

出于安裝和維護(hù)方便來考慮，一般將低壓穿越控制設(shè)備放置在塔筒底部。需要穿過塔筒門進(jìn)行的安裝過程如圖10所示。

圖10 低壓穿越控制設(shè)備的塔筒內(nèi)安裝示意圖Fig.10 The installation diagram of the LVRT control equipment in wind tower

穿過塔筒并在塔筒內(nèi)安裝完畢低壓穿越控制設(shè)備之后，將原塔筒內(nèi)變流器網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電纜拆除；然后將拆除的線纜接至低壓穿越控制設(shè)備進(jìn)線側(cè)；再將準(zhǔn)備好的電纜從低壓穿越控制設(shè)備機(jī)側(cè)出線接至原塔筒內(nèi)變流器進(jìn)線側(cè)，上述完成之后，啟動(dòng)低壓穿越控制設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備正常運(yùn)行，變流器順利啟動(dòng)，機(jī)組并網(wǎng)，之后即可開始低壓穿越測(cè)試。從卸車吊裝到在塔筒里調(diào)試完畢，只需要1到2天的時(shí)間。

實(shí)際低壓穿越控制設(shè)備的使用過程中，由于未對(duì)主控進(jìn)行任何修改，用戶對(duì)發(fā)電機(jī)組的操作不變。主控監(jiān)視的電網(wǎng)電壓因?yàn)樵撛O(shè)備的存在而更加穩(wěn)定，只有通過低壓穿越控制設(shè)備的后臺(tái)才能看到機(jī)組何時(shí)發(fā)生了低壓穿越。對(duì)于變頻器安裝在塔筒底部的機(jī)組，塔筒底部的操作和維護(hù)空間會(huì)因?yàn)榈蛪捍┰娇刂圃O(shè)備的安裝而有所減少。

5 結(jié)論

通過在現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的安裝和低壓穿越測(cè)試，證明低壓穿越控制設(shè)備是一種安裝實(shí)施簡(jiǎn)便迅速、性能可靠的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越改造方案，對(duì)于我國(guó)現(xiàn)有存量的大功率風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越改造和風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的提高有著重要的意義。

［1］Chen Zhe，Josep M Guerrero，F(xiàn)rede Blaabjerg. A Rewiee of the State of the Art of the Power Electronics for Wind Turbines［J］. Power Electronics，IEEE Transaction on，2009，24（8）：1859-1874.

［2］GB/T 19963—2011.風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［M］.北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，2011.

［3］IEC61400—212008—8 Part 21：Measuement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines［S］.