具有低电压穿越能力的风电机组测试故障典型实例分析

赵炜， 董开松， 秦睿， 杨俊， 赵耀， 张光儒， 朱宏毅

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省水力发电工程学会，甘肃 兰州 730050)

具有低电压穿越能力的风电机组测试故障典型实例分析

赵炜1， 董开松2， 秦睿1， 杨俊1， 赵耀1， 张光儒1， 朱宏毅1

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省水力发电工程学会，甘肃 兰州 730050)

近年来，西北尤其是甘肃风力发电装机容量不断增长，大规模风电并网对电网的影响日益受到重视。低电压穿越能力是风电机组并网特性的重要考核指标之一。2011年以来国网公司西北分部和甘肃省调在酒泉千万千瓦风电基地共同组织开展了风电机组低电压穿越能力抽检验证工作，共进行33座风电场44台风电机组现场试验。通过对测试过程中遇到的风电机组脱网故障进行分析总结，找到了影响风电机组低电压穿越能力的主要因素，并结合实例对各影响因素进行分析阐述。目前，风电机组的硬件维护水平、主控制策略调整、软件设置和控制版本升级仍是影响并网风电机组低电压穿越能力的主要因素。

风力发电；低电压穿越；风电机组测试；风电机组故障；电压跌落

0 引 言

随着风力发电在电力能源中所占比例越来越大，风电的电网穿透率越来越高，大规模风电并网运行对于电力系统安全稳定运行的影响不容忽视，对电网的影响范围也从局部逐渐扩大，风电并网稳定运行的问题日益突出。而甘肃作为全国风能资源最为丰富的地区之一，经过2008年以来的快速发展，截止2015年年底甘肃电网风电装机已经达到1 202万千瓦，位居全国第二。风电的迅猛发展，给甘肃电网乃至西部电网带来的影响愈发凸显[1-4]。

前几年陆续发生了多次因低电压穿越能力不足导致的风机大面积脱网事件，根据事故调查分析，部分并网运行的风电机组不具备低电压穿越能力，且故障期间未能有效地提供动态无功支撑，是造成风电大规模脱网的主要原因之一。自2011年起各地区陆续开展了风电基地内风电机组集中整改工作，同时开展低电压穿越能力抽检。以甘肃酒泉千万千瓦级风电基地为例，通过测试发现了风电机组在低电压穿越方面的技术缺陷并提供给风电场及风机制造商进行有的放矢的改进，促进了设备整改[5]。

随着测试的进行以及风电机组低电压穿越能力测试相关标准的出台，近年来各整机制造厂家、高校及相关研究机构已经对风电机组低电压穿越技术和影响风电机组低电压穿越能力的因素开展了深入研究，并取得了成果。文献[6-8]综述了现阶段国内外主要类型风电机组的低电压穿越能力实现方案和技术难点。文献[9-11]介绍了各种硬件保护电路在提高风电机组低电压穿越能力方面的作用。文献[12-14]介绍了风电机组主控制系统及变流器的控制和优化策略。

虽然并网风电机组低电压穿越能力有了明显提升，但通过对实际运行风电机组进行现场测试发现，风电机组仍会出现偶有脱网故障的发生。本文根据对酒泉风电基地多种厂家机型的现场测试数据分析，总结了风电机组低电压穿越能力测试故障，提出了今后并网风电机组低电压穿越能力改进提升的方向。

1 风电机组低电压穿越能力测试

1.1 风电机组低电压穿越能力测试方法

图1是目前普遍采用的阻抗分压式低电压穿越测试装置原理图，即图2中“LVRT测试设备”内部线路，选择TP为测试点，即风电机组并网点。测试时将此低电压穿越测试装置串联接入风力发电机组升压变压器高压侧，该装置利用阻抗分压原理在测试点产生对称或不对称电压跌落，同时记录被测风电机组的响应情况，分析所采集到的数据对风电机组的低电压穿越能力进行判断。

图1 阻抗分压式测试设备原理图

图1中Xsr为限流电抗，Xsc为短路电抗。两者均采用可调电抗器设计，通过改变阻抗分压比可实现不同的电压跌落深度，并且确保电压跌落测试不会对电网造成严重的影响，同时也不会显著影响风力发电机组的暂态响应。

以某风电场双馈风电机组测试过程设备接线为例，LVRT测试设备串联在风电机组高压侧与中压侧送出线路之间(如图2所示)，LVRT测试设备中的数据采集仪记录从故障前到故障后的风机侧线电压、电流数据进行分析。

图2 风电机组LVRT测试示意图(以双馈型为例)

1.2 风电机组测试故障统计

在酒泉风电基地进行风电机组改造与抽检测试过程中，共完成33座风电场44台风电机组的测试工作，机型包括国内主流风机制造厂商的双馈和直驱机组。其中发生故障16个机型，如表1。除因风电场测试前保护设置的问题导致测试风机脱网外，其余15次故障按照原因共分为硬件维护、软件控制与升级、控制策略缺陷等三大类问题。分别占故障比例为：53.3%，26.7%，20%。

表1 故障情况及原因统计

2 风电机组测试故障影响因素分析

经过测试发现与风电机组低电压穿越性能有密切关系的机组部件主要有三大类，即机组的主控系统、变流器、发电机等主要部件，由于这些部件造成风电机组低电压穿越期间脱网可以认为是机组的性能不满足要求。此外，机组其它非关键性零部件发生故障或失效也有可能造成风电机组在低电压穿越期间脱网。除以上问题外，软件及其控制策略缺陷也暴露出某些风机厂商对其产品的低穿改造不完全。

2.1 主控制系统对风电机组低电压穿越影响分析

主控制系统作为整个电气控制的大脑，负责协调风电机组变桨、变流控制，完成远程通信、桨距控制、温度控制、偏航控制、功率控制等功能。随着各厂家风电机组的低电压穿越能力整改日趋完善，该功能已经作为主控的不可或缺的指标集成在主控制系统中。主控制系统的LVRT控制逻辑可分为三个阶段，即电压跌落前电压检测阶段、电压跌落期间故障处理阶段、电压跌落后功率恢复阶段。主要差别在电压跌落期间故障处理阶段，对于LVRT控制方法，不同的主控制系统策略各不相同。主控控制策略缺陷在LVRT测试中主要表现为有功恢复曲线不合格，主控故障屏蔽不完全造成的“三相电压不平衡”、“某相电流过大”等故障会导致有功恢复阶段脱网等。

图3 风机出口侧三相电压跌落波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，中压侧线电压有效值)

图4 直驱风机低电压穿越测试功率波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/无功)

图5 双馈风机低电压穿越测试功率波形一(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/无功)

图6 双馈风机低电压穿越过程中有功恢复不满足要求波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/无功)

图3所示电压跌落装置在风机并网侧模拟的电压故障。试验设备连接在风机是箱变35 kV高压侧，风机实际功率P>风机额定功率Pn时，试验设备模拟三相短路故障造成风机并网点线电压跌落至额定电压的20%，跌落持续时间0.625秒。图4为某直驱风电机组有功功率恢复速率正常的波形曲线。测试中，风机在大功率试验工况(>90%Pn)下运行时，风机并网点线电压跌落20%额定电压，电压恢复后风电机组有功功率在1秒内恢复。图5为某双馈风电机组有功功率恢复速率正常的波形曲线。测试中，风机在大功率试验工况(>90%Pn)下运行时，试验设备模拟短路故障造成风机并网点线电压跌落20%额定电压，电压恢复后有功功率在7秒内恢复。图4和图5的试验测试均证明被测机组满足国标对有功恢复的要求，试验风机的额定功率为1 500 kW，按照标准从故障清除的时刻开始10秒内应恢复至跌前水平。图6为某双馈风电机组测试中有功恢复不满足要求的。在酒泉地区某风场进行风电机组的低电压穿越试验过程中，测试大功率(P>90%Pn)工况，风机在电压跌落后有功开始恢复，如图6在跌落后2秒恢复至跌前水平，但随后有功功率又开始下降直至电压跌落10秒后有功仍未恢复。认定该风机不满足有功恢复时间的要求，低电压穿越性能不达标。

2.2 变流器对风电机组低电压穿越影响分析

变流器是风电机组的动力执行机构，作为风机并网控制的核心部件，它的控制特性直接关系到风电机组的并网性能。不同厂商的产品，由于变流器软件或硬件的差异，会导致风电机组的低电压穿越表现不同。例如：变流器的主电路拓扑结构、电流控制主算法、电压跌落过程前后变流器是否可控以及变流器在电压跌落期间的有功/无功控制模式等都是变流器性能的影响因素。

图5和图7分别是同一厂商的1.5 MW双馈风电机组采用不同型号的变流器在大功率(P>90%Pn)工况下三相电压跌落至20%额定电压时的测试结果曲线。从两个图中可以看出，有功恢复曲线出现明显不同，而且无功电流的大小以及相应时间也不同。同样是正常的恢复波形，变流器不同导致电压跌落期间无功电流的注入和无功支撑能力表现会明显不同[15]。

图7 双馈风机低电压穿越测试功率波形二(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/无功)

2.3 硬件问题对风电机组低电压穿越影响分析

根据不同LVRT控制策略，不同的厂家的风电机组依据不同硬件电路来实现。以双馈型风电机组为例就有转子侧主动crowbar保护电路、直流母排保护电路、被动crowbar保护电路等。而第三种方式由于实际运用效果不理想已被前两种方式取代，或者采用与直流母排保护相组合的方式。如图7所示，一种采用主动crowbar保护电路的双馈型风电机组顺利通过电压跌落故障阶段的测试曲线。进行不论采取何种硬件电路实现低电压穿越，根据风电机组现场测试故障统计结果来看，低电压穿越测试中造成风机脱网的硬件维护方面的问题并不在硬件保护电路本身，而是类似：UPS供电不足、传感器数据丢失、滑环故障等。各风电场维护能力不足，导致测试中该问题多发。

图8 低电压穿越过程中风电机组脱网波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/无功)

图8为实际测试中因硬件维护不到位出现的一次测试中风机脱网事故。酒泉地区某风场进行风电机组的低电压穿越试验过程中，测试大功率(P>90%Pn)工况时风机脱网，被测风机变流器报“变流器母线电压高故障”。测试波形图如图8所示，图中P为有功功率，Q为无功功率，曲线按照标幺值绘制。由此，可认定该机型(含被测风机变流器、主控系统、变桨系统等)低电压穿越性能不满足要求。后经查明，测试时塔筒温度达47.8 ℃，制动电阻因连续两次满功率深度跌落后温度会升高，制动电阻温度过高，使制动效率下降，导致出线直流母线过电压故障。风机制造商根据测试数据及风机内故障录波数据进行了分析，提出了解决方案。

3 结束语

综上，风电机组的硬件维护水平、主控制策略调整、软件设置和控制版本升级是影响并网风电机组低电压穿越能力的主要因素。风电场每台机组由于具体的运行历史和维护情况不同，即使同一型号的风电机组在低电压穿越期间也会表现出个体差异性。若电网扰动剧烈，风况引起振动过大，大量风电机组同时进入低电压穿越过程等情况发生时，同一型号风机不同的个体可能会有不同的响应情况。建议在硬件维护水平方面，应提高风电机组检修维护水平，及时更换与低电压穿越功能不协调的机组零部件。在主控与软件设置方面，积极开展同一机型低电压穿越能力主控和软件设置一致性检查，定期检查风机主控定值、变流器定值是否与低电压穿越功能相匹配。并网风电场应做好各项优化，全面提升风电机组的电网适应能力。目前，检测机构已不再进行现场风机抽检试验，但目前仍存在低电压穿越能力不合格的情况下，需要推广现场一致性评估技术，以及时发现机组缺陷并进行改造，有效保证机组具备低穿能力。在条件具备时，开展机组高电压穿越能力测试与评估技术的开发和利用，能够切实保证风电机组低电压穿越能力的可靠性，为电网稳定运行提供支持。

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An Analysis of Typical Faults Found in the Test of A Wind Turbine with Low-voltage Ride-through

Zhao Wei1, Dong Kaisong2, Qin Rui1, Yang Jun1, Zhao Yao1, Zhang Guangru1, Zhu Hongyi1

(1.State Grid Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou Gansu 730050, China; 2.Gansu Provincial Society for Hydropower Engineering, Lanzhou Gansu 730050,China)

Along with continual growth of installed capacity of wind power generation in Northwest China, particularly in Gansu Province, the impact of large-scale wind power integration upon power grid is receiving more and more attention. Low voltage ride-through (LVRT) behavior is one of the key indices for the evaluation of wind turbine grid-integration characteristics. Since 2011, State Grid Northwest Branch and Gansu Power Dispatch and Control Center have jointly organized spot verification of the low voltage ride-through ability of wind power turbines at Jiuquan Ten Million kW wind power base, and completed site tests for 44 wind turbines at 33 wind farms. Through analysis and summary of off-network faults of the wind turbines during the test, we find main factors affecting LVRT, and expound these factors in detail under consideration of actual examples. At present, hardware maintenance level, main control strategy adjustment as well as software setting and version control remain to be main factors affecting LVRT ability of grid connected wind turbine.

wind power generation; low voltage ride-through(LVRT); wind turbine test; wind turbine fault; voltage drop

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.014

TM614

A

1000-3886(2017)04-0048-04

定稿日期: 2016-10-15

国网甘肃省电力公司基金项目：面向兰州新区的区域能源综合利用关键技术研究与应用(522722150012)

赵炜(1981-)，男，甘肃平凉人，硕士，工程师，研究方向为新能源并网及发电技术。