风电机组低电压穿越测试相关技术分析

沈荣斌

【摘 要】风电接入电网的比例逐渐增大，同时也带来了相应的电网安全隐患。为避免因风电脱网而造成大面积停电事故，对风电机组低电压穿越能力进行测试十分必要。保证风电机组低电压穿越能力是风电大规模接入系统的重要前提。本文阐述了风电机组低电压穿越测试的相关内容，并分析了如何选择低电压穿越测试的相关参数，提出了加强管理风电机组低电压穿越能力的相关意见。

【关键词】风电机组；低电压穿越能力；测试；技术

0.前言

近年来，风电在电网中的渗透比率越来越大，带来了很好的社会效益，同时也取得了相当可观的经济效益。但风电机组由于没有具备低电压穿越能力，而导致大面积脱网事故的现象时有发生，引起了国家有关部门的高度重视。为此，国家电网颁布了《关于开展并网风电机组低电压穿越专项检测工作的通知》和《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》[1]，要求对风电机组低电压穿越能力进行测试，检测不合格的应进行升级改造，以确保风电接入电网的安全运行。

1.低电压穿越测试的原理和内容

1.1低电压穿越测试的原理

根据低电压穿越测试的原理要求，电压跌落必须以阻抗分压的形式出现。而串联阻抗能够减少短路电流对电网的冲击力度，且对风机无显著的暂态响应。电压跌落前后，串联阻抗可连接其中一个旁路开关，依靠并联阻抗连接短路开关产生电压跌落。

世界上现有两种低电压穿越测试设备：低压侧低电压穿越测试设备、中压侧低电压穿越测试设备。这两种测试设备具有相同的基本原理，具有等效的并网点电压跌落效果，并得到国际认证。

1.2低电压穿越测试的内容

影响风电机组低电压穿越特性的因素很多，诸如主控系统、变桨系统、变频器等，任意一项出现问题都可能会影响低电压穿越特性，造成潜在的脱网事故隐患。因此，对风电机组进行低电压穿越能力检测非常重要。

⑴低电压穿越测试的形式：一般分为低电压穿越能力抽检测试、低电压穿越能力认证测试两种。低电压穿越能力抽检测试是指风电机组已经在风电场，且具备了低电压穿越能力认证合格证书之后，对其再次进行抽样试验的测试。而低电压穿越能力认证测试则是对厂家生产的风电机组进行型式试验，验证风电机组的低电压穿越能力的测试[2]。

⑵低电压穿越能力认证测试：进行风电机组的低电压穿越能力认证测试的资格单位应具备CNAS资质。目前符合要求的单位有辽宁电科院、中国电科院等。测试内容：在小功率输出达到10%～30%，大功率输出超过90%的工况下，风电机组电压跌落到20%、35%、50%、90%时，则应进行风电机组低电压穿越能力验证，并做到每种情况进行2次验证。

⑶低电压穿越能力抽检测试：仅验证在两种工况下，风电机组电压跌落到20%时的穿越能力。

⑷不同电压跌落对应的跌落时间：剩余电压20%—跌落时间625ms、剩余电压35%—跌落时间920ms、剩余电压50%—跌落时间1214ms、剩余电压75%—跌落时间1705ms、剩余电压90%—跌落时间2000ms[3]。

2.低电压穿越测试相关参数的选择分析

2.1短路容量

目前，我国对于短路容量的限定值标准还未明确，但在国外一些国家，尤其是风电发展较快的国家，对于低电压穿越测试的短路容量有非常明确的要求，即短路容量必须是风机容量的3倍或以上，有些甚至要求达到5倍以上10倍以下。根据相关的测试结果显示，当工况相同、电压跌落相同的情形下，风电机组低电压穿越的容易程度随着短路容量的增大而增大。按照相关规定，在低电压穿越产生的装置中，串联阻抗应起到限流的功效，且串联阻抗大小不会对风电机组产生明显的暂态响应。短路容量越小，串联阻抗就越大，短路容量越大，串联阻抗就越小，两者呈反比例关系。若选择串联阻抗过大时，则会对风电机组暂态响应产生影响，造成低电压穿越失败。总结实际测试相关经验，若短路容量设定小于2倍，电压跌落到50%以下时，低电压的穿越能力就会受到较大的串联阻抗影响，从而产生切机情况。但若工况相同、电压跌落相同，短路容量设定超过3倍，风电机低电压穿越测试则可顺利完成。

2.2跌落电压

在每个并网的风电场对风电机组的低电压穿越进行抽检测试，是保证风电接入电网安全运行的必要措施。抽检测试中可在每种机型中抽选1台检测，检测在两种工况下，电压跌落到20%时低电压的穿越能力。但总结测试经验，若单只检验电压跌落到20%时的低电压，难以全面反映风电机组低电压的穿越能力。因为有时候电压跌落到20%时可通过，但当电压跌落达到90%时，则可能无法通过。但由于我国目前有资格进行风电机组低电压穿越检测的单位有限，因此，很难确定低电压的测试周期，这也决定了我国低电压的穿越测试工作需经过很长时间才能完成。

2.3转子短路的保护

当前很多制造商会在发电机转子侧装上crowbar电路，以提供旁路，保证发电机不脱网运行。其主要作用是在检测到电网系统出现故障，导致电压跌落时，能够闭锁双馈感应发电机励磁变流器。与此同时投向转子回路的旁路，以对电流、转子绕组通过电压形成限制和阻碍，从而达到保证发电机不脱网运行的目的。在主流侧并接入制动电阻和制动单元，可以很好的消耗掉充电电容中的电压，从而有效降低变流器的直流侧电压。

但保护电路存在一些缺陷，例如在出现电网故障时，按感应电动机方式运行的机组会吸收大量功率，从而降低电网电压的稳定性。另外，进行crowbar保护电路操作时，还会对系统产生暂态冲击。因此，在crowbar触发后，可保证发电机不脱网，但不能支撑电网电压。

Crowbar一般通过可控硅来控制导通，有效防止转子和直流母线过流或过压现象。但可控硅不能控制其关断，一旦可控硅导通，直流母线电压释放就会归0，变流器无法工作。随着技术的不断发展，制造商制造出能够控制其关断的crowbar回路，即有源 crowbar，很好地解决了以上问题。

电网出现故障期间，励磁变流器会与电网、转子绕组始终保持连接状态，由此不受故障影响，保证双馈感应发电机能正常运行。电网故障消除后，即可关断功率开关，切除旁路电阻，使双馈感应发电机正常运作。

2.4有功功率的恢复速度

根据我国最新的《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T19963—2011），仅对风电场故障消除后的有功功率恢复速度有相关要求，而对单台风电机组并无明确的规定要求。根据实际的检测结果显示，风电机组的有功功率恢复一般可分为两种：瞬间恢复有功功率、按一定速率恢复有功功率。总结检测经验，就单台风电机组而言，瞬间恢复有功功率占有优势。另外，变流器与主控变桨系统间的互相配合作用也至关重要，在满足功率恢复速度时，还应避免恢复过快造成的暂态冲击。

3.加强风电机组低电压穿越测试相关意见

虽然风电机组的性能越来越高，但暴露出来的问题也不少。尤其是风电机组部件和参数设定中存在问题。因此，需对这些部件版本进行必要的升级。但从目前的情况来看，在进行风电机组低电压穿越能力认证测试中，测试人员往往只考虑了参数配置问题，而忽略了参数对风电机组运行的相关影响作用。建议发电企业与电网公司互相协作共同解决。发电企业应在低电压抽检后，详细记录风电机组调整前后相关信息，并将调整情况反馈到调度部门，由调度部门决定是否需要重新进行低电压穿越抽检测试工作。另外，调度部门还应做好抽检测试备案工作，包括记录风电机组相关配置和参数，制定核查计划书。

4.小结

综上所述，做好风电机组低电压穿越测试工作对预防风电脱网具有重要意义。因此，要熟练掌握低电压穿越测试相关原理和内容，更要选择好低电压穿越测试相关参数，以确保电压跌落期间不脱网运行，达到电网安全、稳定运行的要求。 [科]

【参考文献】

[1]董鹤楠，王刚，邢作霞，姚兴佳.风电场低电压穿越测试方法对比研究[J].可再生能源，2013，31（07）：25-28.

[2]赵清松，徐建源，刘劲松，王刚，戈阳阳.风力发电机低电压穿越测试变流器中电流特性分析[J].东北电力技术，2013（01）：13-17.

[3]高阳，欧阳群，关慧敏.风电场接入电网技术研究综述[J].东北电力技术，2010（02）：14-17.