风机发电低电压穿越技术探析

王裔飞

(国华(锡林郭勒)新能源有限公司,内蒙古锡林浩特 026000)

风机发电低电压穿越技术探析

王裔飞

(国华(锡林郭勒)新能源有限公司,内蒙古锡林浩特 026000)

当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时,在电压跌落的范围内,风电机组能够不间断并网运行。电力系统对风电场接入电网时的要求愈来愈严苛,而低电压穿越被公认为风电机组设计及控制的难点,制约着风电机组的大规模应用,本文笔者结合多年实践简要探讨了风电机组低电压穿越的问题。

风电 低电压穿越 应用设计

低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越(LowVoltageRide Through，LVRT)能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。风电机组应该具有低电压穿越能力:(1)风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力; (2)风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行;(3)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

1 风机低电压穿越的要求

通俗而言，LVRT就是风电机组的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至继续为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越能力的风力发电机能大大减少风电机组在故障时反复并网次数和对电网的冲击，因为其可躲过保护动作时间，故障切除后恢复正常运行。

在出现电网故障电压降低的情形下，具备了低电压穿越能力的风电机组则可尽最大可能与电网连接，延续电力运能，减轻电网波动。一般而言，230KV及以上高电压等级线路的故障，在6个周波(120ms)内被切除，100ms内电压可恢复到15%的正常水平，而1s内可恢复到75%的正常水平甚至更高的电压水准，低电压穿越能力实则是一种风电机组在故障电压短时间消失期间，能够保持持续运行的能力，但此后电压仍处在低压，则风电机组则将会被低压保护装置切除。

对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省级电网(区域级电网)，则要求该电网区域内运行的风电场应具备低电压穿越能力。通常要求，风电场内的风电机组要具备在并网点电压跌至额定电压的20%时，能够保证不脱网连续运行625ms的能力;风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。此外，当电网发生三相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生两相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生单相接地短路故障引起的并网点电压跌落状况下，风电场并网点各线电压在规定电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须要具备保证不脱网连续运行的能力;风电场并网点任意相电压低于或部分低于规定电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

2 低电压穿越方案

在当前技术条件下，通常通过三种方案来实现风电机组的低电压穿越，其一是引入新型拓扑结构;其二是采用转子短路保护技术;其三是采用合理的励磁控制算法。

在了解了电网电压突然降低对发电机造成的影响及后果后，我们就会知道为什么风电机组应该具备低电压穿越的能力。在电网故障出现时，发电机机端电压的突然降低，势必形成发电机绕组磁通的变化，在定子和转子侧都形成过流。在传统机组中，励磁系统可以通过强励方式把电压支撑在1pu，可以支持短路点的短路电流，如果发生磁通突变，如果转子和定子的超载能力仍在过流数值之上，机组仍能保持造成运行。在系统发生故障后，LVRT能力可以保证风电机组的不间断并网运行，如果LVRT不具备，则发生电网电压跌落状况下，风机自身的保护系统动作会切断风机与电网的连接，电网电压会降的更低，这对电网而言无疑是雪上加霜的打击，严重情况下势必引发系统整体崩溃。

3 低压穿越的实现技术

风电场低电压穿越能力的最终实现还是基于风电机组低电压穿越能力的实现，因此风电机组具有低电压穿越能力尤为重要。

电网电压跌落对并网风电机组有着较大的影响。暂态过程导致发电机中出现的过电流会损坏电力电子器件，附加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件。对于双馈式变速风电机组，在电网发生故障导致机端电压跌落时，发电机定子电流增加，快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升，另外由于发生故障时风轮吸收的风能不会明显减少，而风电机组由于机端电压降低，不能正常向电网输送有功功率，即有一部分能量无法输入电网，这些不平衡能量将导致风电机组出现直流环节电容充电、直流电压快速上升、风电机组加速等一系列问题。

要实现风电机组的低电压穿越，其关键是风电机组变流器保护和主控及桨距角控制的配合。实现双馈式变速风电机组低电压穿越能力的常用技术有两种:一是在机组转子与变流器之间增加一个旁路电路，故障时投入旁路电路将转子侧变流器短路，保证变流器避开过电流的冲击，从而起到保护作用;二是在两个变流器之间的直流环节加入能量泄放模块，当检测到直流电压过高则触发该模块以泄放多余的不平衡能量。

风电机组的低电压穿越能力可以通过使用电压跌落发生装置对风电机组进行低电压穿越测试来证明。不同风况对应了不同能量水平下的风电机组低电压穿越特性，因此需要分别进行测试，这使得风电机组低电压穿越测试的周期较长，一般需要2个月左右。等待各种合适风况所耗费的时间，占据了测试的大部分。其次，风电机组厂商需要进行前期摸底试验和低电压穿越控制策略的改进调整，也占用了较多时间。

4 结语

风力发电的发展趋势必定是建立更多具备低电压穿越能力的风电场。现行的低电压穿越技术仅能应对短时间的电压跌落，且还存在诸多不足。在我国，面对具体区域电网和具体接入点如何合理的运用低电压穿越技术，是摆在电网、风电运营商、和风机厂商面前亟待解决的共同课题。

[1]纪勇.风电并网对电网安全的影响[J].农村电气化,2009(03).