风力发电机组故障穿越问题探讨*

郑翔宇， 赵廷红， 董开松， 艾斯卡尔， 马喜平， 李 臻

(1. 甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2．兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050；3. 新疆金风科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

0 引 言

随着能源与环境问题的日益突出，风电、太阳能等可再生绿色能源日益受到世界各国的高度关注。其中，风力发电作为技术最成熟、应用规模最大的一种可再生绿色能源发电技术。中国风电装机总容量迅速增长，已于2010年底超越美国成为全球风电装机总容量第一的国家。

过去，单个风电场的装机容量相对较小，或不存在百万千瓦级风电场群集中接入电网的工程案例。因此，电网故障导致的风电场/风电机组的自动解列不会对电网安全、稳定运行造成影响，保护了风电机组自身安全。目前，风电集中接入电网的装机容量比例已达到很高的水平，若风电机组还不具备对电网故障的抵御能力，一遇电网故障就自动解列，会增加局部电网故障的恢复难度，恶化电网稳定性，甚至会加剧故障导致系统崩溃。

为了维持电网的安全、稳定运行，各国电网公司根据本国电网自身实际对风电场的电网接入提出了严格的技术要求，其中风力发电机组的故障穿越能力要求被公认为是最具挑战性的技术要求。

本文研究了主流风电市场的风电并网规程，归纳并分析了风力发电机组设计所面临的故障穿越问题。重点探讨了风力发电机组故障穿越诸多问题，如3种主流风电机组故障穿越能力与电力系统之间的相互影响，及风力发电机组故障穿越设计方案。

1 风电机组故障穿越概念

世界各国标准对风电机组故障穿越能力的定义基本一致，其基本内容可概括： 当电力系统扰动引起并网点电压超出标准允许的正常运行范围时，在一定的电压范围及其持续时间间隔内，风电机组能够按照标准要求保证不脱网连续运行，且平稳过渡到正常运行状态的一种能力。

通过对各国标准的研究发现，故障穿越包括低电压穿越(Low Voltage Ride Through， LVRT)和高电压穿越(High Voltage Ride Through， HVRT)两种概念。目前澳大利亚等国对于HVRT已有明确的标准规定，但在我国还处于空白状态；目前各国对于LVRT并网规程都有明确要求，是风电机组最普遍、重要的故障穿越能力，也是本文主要探讨对象。

2 各国并网规程低电压穿越技术要求

通过对各国标准归纳后发现，风电机组低电压穿越问题的重点指标有如下几项。

2.1 故障类型及其严重度

风电机组应穿越的电网“低电压故障”类型包括对称故障和非对称故障；故障严重度是指故障期间的并网点电压有效值离其标称值的最大偏移量百分比。

中国标准要求“风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风力发电机组能够保证不脱网连续运行625ms”。可知，LVRT最大深度指标在中国规程中的取值为20%的额定电压。大多数风电发达国家的并网规程都比中国严格，都提出了零电压穿越(Zero Voltage Ride Through， ZVRT)要求；而故障类型也是对称故障和非对称故障。

2.2 故障持续时间

就LVRT要求而言，德国E.ON标准规定“风电场并网点电压跌至0%标称电压时，风力发电机组能够保证不脱网连续运行150ms”，即在德国E.ON电网中LVRT持续时间指标的取值为150ms。最严格的标准是芬兰等北欧国家标准，要求风电场在0%标称电压下持续工作至少250ms。

2.3 故障期间的功率控制要求

该指标包括风电机组在LVRT期间的有功功率和无功功率控制要求。大多数国家对LVRT期间的风力发电机组有功控制并无清晰要求，只有丹麦标准要求风电机组在LVRT期间根据电网电压实际值按照一定比例关系尽可能地多发有功功率。对于LVRT期间的风力发电机组无功控制，大多数国家都有明确的规定，如中国标准要求“当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落，且并网点电压处于标称电压的20%～90%时，风力发电机组应能通过注入无功电流支撑电压恢复(动态无功电流控制的响应时间≤75ms，持续时间应≥550ms)；风电场注入电力系统的动态无功电流应为IT≥1.5×(0.9-UT)IN。其中，UT(0.2≤UT≤0.9)为并网点电压标幺值，IN为风电场额定电流”。

2.4 故障恢复时间及后期控制要求

该指标包括： 故障恢复时间；故障结束后的有功功率恢复速度；故障结束后的无功功率控制要求和故障结束瞬间的电气超调量控制问题。

以故障恢复时间为例，中国标准要求“当风电场并网点电压在发生跌落后2s内能恢复到标称电压的90%时，风力发电机组能够保证不脱网连续运行”，故LVRT恢复时间要求为2s。因此，故障恢复时间取决于各国电网的实际状况，存在较大的差异性。

LVRT结束后的风力发电机组有功功率恢复速度，目前最严格的标准是德国E.ON准则，要求风电场以20%PN/s的速度恢复到故障之前的值。

LVRT结束后的无功功率控制，该指标的主要意图是故障结束(电压恢复到(90%～110%)Un的电压区域)后使风电机组的电网侧电压尽快恢复到标称电压附近。可见，故障结束后的无功功率及其持续时间的控制取决于电压的恢复情况。

LVRT结束瞬间的电气超调量(Over-shoot)控制，规程内容的根本意图在于保证风电机组的各个涉网电气保护在故障结束瞬间不被触发。当然，电气超调量的幅值越小越好，进入稳定工作点的速度越快越好。

2.5 电压故障的重现频次(二次穿越)

大多数国家对此并无明确要求，只有丹麦标准要求“在两分钟之内至少两次低电压故障穿越”来考核风电机组的LVRT能力。

2.6 控制响应速度

包括故障类型判别速度和故障发生瞬间后无功功率响应速度两个要素。一般而言，当发生电网故障时，风电机组先试图对故障类型进行快速判别以确定故障期间的有功/无功功率的控制方式。此外，风电机组控制器对电网故障类型快速完成定性后，还要快速进行无功功率调节以支持电网电压的恢复。

3 电网电压故障对不同风电机组的影响

目前，市场上的主流风电机组有3类，分别是直接并网的恒速异步风电机组、双馈异步风电机组、直驱永磁同步风电机组。电网短路故障(因篇幅原因只分析低电压故障问题)对各种机型的影响简述如下。

3.1 恒速异步风电机组在电网故障下的暂态现象

恒速异步风电机组系统主回路拓扑结构如图1所示。由图1可知，发电机直接连接到电网。这种较强的电压和频率耦合使电网故障直接反应在电机定子电压和转速上，最终产生较大的转子电势和转子电流。

图1 恒速异步风电机组系统主回路拓扑结构

此外，在故障过渡过程中，电机电磁转矩波动较大，对齿轮箱等部件产生机械冲击，会导致部件损坏或机组寿命缩短。

还有，电网故障会降低定子电压，风电机组输出功率也跟着降低，必然导致发电机转速的上升。转速的上升会增加风电机组从系统吸收的无功功率，进一步恶化电网电压的恢复，严重时将导致系统的电压崩溃。

3.2 双馈风力发电机组在电网故障下的暂态现象

双馈风力发电机组系统主回路拓扑结构如图2所示。由图2可知，电网电压的跌落会导致风电机组转速上升，对传动系统造成机械冲击。在电网电压跌落瞬间，发电机定子上的大电流，必然引起转子侧较大的感应电流。而在电网电压恢复瞬间，因双馈风力发电机组从电网吸收无功功率来恢复气隙磁链，导致定子侧注入较大的浪涌电流，造成发电机电网侧电压的降低。另外，转子侧由于采用了小功率变流器并网，变流器过流能力和DC环节的过电压能力都非常有限，需要在电压、电流和有功功率控制之间要很好地匹配，以保证功率器件不被过电压、过电流损坏。可见，双馈风电机组在故障期间的暂态行为较复杂，故障穿越实现难度较大。

图2 双馈风力发电机组系统主回路拓扑结构

3.3 直驱风力发电机组在电网故障下的暂态现象

永磁直驱风力发电系统主回路拓扑结构如图3所示。发电机经过AC-DC-AC全功率变流器与电网相接，发电机输出侧与风电机组的电网侧已被“频率/电压-解耦”。风力发电机组的故障穿越能力等并网特性主要跟变流器有关。当电网电压跌落时，电网侧逆变器电流不能突变，注入电网的有功功率迅速减少。为传送等同的有功功率，逆变器应增加输出电流，但电压跌落到一定深度时，因回路电流不可超过逆变器IGBT能承受的最大电流，注入电网的有功功率受到限制。这样必将导致DC电容输入功率大于逆变器注入电网的输出功率，DC电容电压上升，影响系统的正常运行，甚至导致部件损坏或更严重的后果。可见，直流侧过电压是因DC回路输入能量和输出能量的不平衡引起，释放这一部分多余的能量是保证直驱风力发电机组故障穿越能力的根本途径。

图3 永磁直驱风力发电系统主回路拓扑结构

4 风力发电机组LVRT能力对系统的影响

已有许多文献研究了风电机组/风电场的故障穿越能力，尤其是风电机组的LVRT特性对系统的影响。工程实践也说明风电机组/风电场的故障穿越特性对电力系统有着不可忽视的影响。主要表现在以下几个方面。

(1) 对电力系统稳定性的影响。

工程经验说明具备故障穿越能力的风电场比不具备该能力的风电场具有更好的稳定性，尤其是在像中国酒泉地区这种大规模风电场群高度集中接入的电网中。从电网大系统而言，当功角临界失稳时，电压会降低，而风电机组对电压比较敏感。电压的降低会导致风电机组电压保护的动作，进一步恶化系统电压。

(2) 对系统电压控制的影响。

一个风电场一般会含有多种风电机组机型，各风电机组机型在故障情况下的无功功率调节特性不同。风电场主变低压侧也会配有各种类型的无功功率补偿设备，如并联电容器组、SVC、SVG等。可见，风电机组在故障期间的故障判别速度及其对应的功率控制(有功功率控制和无功功率控制)方式不仅影响到故障期间的系统无功功率需求和系统潮流分布，而且对电压控制的精度和效果带来一定的影响。因此，风电机组应按照标准要求严格执行相关故障穿越控制任务。

(3) 对系统发电计划，系统规划等的影响。

按照目前的电网现状，假设风电机组可以不具备故障穿越能力，则整个系统的架构都要发生改变，如风电场的接入规模、系统安稳装置配备、系统保护配置及其设定等，会涉及很多方面，在此不再细述。

5 风电机组LVRT能力实现方案

5.1 恒速异步风电机组LVRT技术方案

使恒速风力发电机组具备LVRT能力的基本思路： 当电网电压跌落时，通过采用一定的技术措施和外加的硬件设备，避免发电机大转差率的发生，防止较大的定子电流、定子电压和转矩波动对风电机组相关部件的损坏，同时保证风力发电机组不脱网连续运行；另外，在电网跌落期间，还应避免飞车现象和风力发电机组额外无功功率需求对电网电压恢复的恶化作用。

目前，LVRT的实现方法是在发电机和电网之间串联一套专用LVRT设备。

5.2 双馈风力发电机组LVRT技术方案

有两种技术措施： 增设变流器转子侧Crowbar电路和变流器直流侧Chopper电路。

针对电网电压跌落，双馈采取如下策略。

(1) 对较小的电压跌落，可通过控制策略的调整使其具备LVRT，无需Crowbar等设备。

(2) 对大一些的电压跌落，因直流过电压与转子侧过电流，Crowbar电路应投人运行以避免大电流损害变流器功率器件。此时，转子侧变流器被Crowbar电路阻断，电网侧变流器保持与电网的连接以控制直流母线电压。

(3) 对较大的电压跌落，因较大的直流过电压与转子侧大电流，Crowbar电路和Chopper电路均投入运行以避免变流器损坏。

5.3 直驱风力发电机组LVRT技术方案

由图3知，永磁直驱发电机组主回路功率平衡方程式为

(1)

式中：Pgen——发电机输出有功功率；

Pgrid——风力发电机组系统注入电网的有功功率；

Pdc——变流器直流母线功率；

Udc——直流侧电压；

Idc——直流侧电流；

Cdc——直流侧稳压电容。

由式(1)可知，保证直驱风力发电机组满足LVRT的最根本途径是把DC-Link回路的多余能量按要求转移出去。目前，比较有效的方法有： (1) 在DC-Link加装额外储能装置；(2) 通过Chopper电路的卸荷电阻以热量形式进行能耗制动。

6 结 语

随着风电在电网中比例的增加，风电故障穿越问题越来越受到各方重视。电网实际运行需要也要求风电机组必须具备相应的故障穿越能力。

风电机组的故障穿越过程是一种非常复杂的暂态过程，如何精确确定系统对风电的接入要求，优化设计风电机组，进而从系统层面实现整个大系统的安全稳定性和经济性是相关各方必须重视的问题。就风电的故障穿越问题而言，至少有如下几个问题需要引起重视。

(1) 继续完善国标GB/T 19963—2011，细化穿越能力考核指标。如“故障判别速度”，“无功支持响应速度”，“二次穿越问题”，“有功功率控制”等问题都要有明确规定。

(2) 以具体电网对具体风电场的实际要求为首要的接入技术条件，充分进行项目合同之前的风电场接入计算，以计算结果为导向合理配置风电场设备，既保证系统安全性，又保证投资最优化。

(3) 风电场的继电保护问题跟风电机组的故障穿越问题应统一考虑。风电机组/风电场的继电保护问题是风电场所接入局部电网安全稳定运行的重要防线，也是风电场故障穿越成功的重要保障。风电机组的短路电流特性各异，短路电流贡献程度不一致，风电场的潮流分布和短路电流分布特性是否符合传统继电保护装置或自动安稳装置的保护原理应引起足够重视。

风电机组的故障穿越能力是风电机组最重要的性能指标之一。风电场/风电机组故障穿越各相关技术问题有待持续、深入研发和实践。

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