直驱型风力发电机组低电压穿越能力综述

刘玉良

摘 要：随着直驱型风力发电机组在风电场装机容量占比的增加，直驱型风力发电机组在电网故障下的连续运行变得非常重要。电网要求风力发电机组在电网电压跌落时能连续运行，而在电网电压跌落时直驱型风电机组在保证连续运行的同时，又保证了本身的电气元器件安全运行。本文分析了直驱型风力发电机组在低电压穿越能力方面的表现，并探讨了低电压故障穿越技术问题及以后的发展方向。

关键词：直驱;风力发电;低电压穿越

引言

2018年，我国风电在电力结构中占比呈持续性增长态势，全国风电发电量为3660亿千瓦时，占據全部发电量的5.2%。而在风力发电机组中直驱型风力发电机组因少了双馈型风力发电机组中高速传动部件故障问题日益突出的齿轮箱，系统效率有了显著提高，得到了各业主单位的青睐。直驱式风力发电系统已被市场证明在低电压穿越特性方面拥有出色的性能。同时，电网也要求风力发电系统可以很好地控制输出，安全地运行在一定的功率因数范围之内，并且能够在电网电压跌落等故障情况下，风力发电机组能够保持连续运行，并向电网输出无功，调节系统电压。因此学术界对直驱型风力发电机组的低电压穿越能力了各种分析和研究[2]。本文对直驱型风力发电机组在低电压穿越性能方面进行了综合阐述。

1 故障穿越能力概念

低电压穿越（LVRT），指在风力发电机组在电网电压跌落的时候，风力发电机组能够保持连续运行，并且向电网输出一定的无功功率，帮助电网电压恢复，直到电网恢复正常，从而"穿越"这个低电压区域。低电压穿越是对运行中风力发电机组在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行能力要求。

目前对风力发电机组的低电压穿越能力而言，各国都有相应的规程要求，中国标准要求：《风力发电场并网点电压跌至20%标称电压时，风机能够保证不脱网连续运行625ms》。可知，低电压穿越最大深度指标在中国规程中的标准为20%额定电压。大多数发达国家的风力发电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，而故障类型也分为对称故障和非对称故障两种[2]。实际上，当电网发生短路故障时，受到风力发电机组至升压站线路、各级变压器、故障点位置、电网结构等多方面因素的影响，在电网出现电压跌落式，风力发电机组发电机机端电压不会像并网点电压跌落那么深。另外，风力发电机组匹配的箱式变压器的联结组别一般都选择为Dyn11，这就造成了箱式变压器高压侧出现短路、接地等各种故障时，受箱式变压器阻抗影响，风力发电机组网侧不会出现单相电压跌落的现象[2]。

2 低电压穿越的作用及要求

2.1 低电压穿越的作用

低电压穿越能力（LVRT），是指当电网电压下降到一定数值时，风电机组能够不脱网连续运行，且能够向电网提供一定的无功输出，帮助电网系统电压恢复到正常值的一种能力。如果风电机组不具备低电压穿越能力，那么当电网电压出现故障时，风电机组出现大面积脱网，将会对电力系统的运行稳定造成冲击，甚至将造成其他运行机组与电力系统解列，使得事故扩大，造成毁灭性打击[1]。

2.2 低电压穿越的要求

根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）要求，电力系统发生不同类型故障时，若风电场并网点考核电压在下图中电压轮廓线及以上区域时，各风电机组必须保证不脱网连续运行，否则风电机组自动与系统解列。且有如下要求：

风力发电机组低电压穿越能力

1）风力发电场内的风力发电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力。

2）风力发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，风力发电场内的风力发电机组能够保证不脱网连续运行[1]。

3 电网故障期间风力发电机组解列的危害

3.1 风力发电机组的自我保护

通过研究《金风2.0MW机组主控系统故障解释手册》可以得知，一台2.0MW金风机组可能会产生410条故障类型，其中会造成机组解列停机的有200余条。而电网发生故障时，造成风机的停机故障多为紧急停机，此时风力发电机组桨叶将以7°/s向90°快速关闭，在这个过程中风力发电机组会出现电气输出和机械输入功率不匹配，产生较大的扭矩，而且故障过程中产生的大电流、高电压会导致发电机的相关电子器件的使用寿命大大缩短，经常需要更换。同时还有可能损坏机械部件。这些故障停机往往很难进行远方上位机复位，需要维护人员就地进行复位，造成发电量损失[3]。

3.2 风机大面积脱网的危害

通过前文论述已得知，目前我国风电在全国各省份电力系统装机容量中占比逐年增大，那么在内蒙古、新疆等风电装机占比较大的省份，如出现风电机组大面积脱网事故，将会增加整个电网系统的恢复难度，甚至可能会使得故障扩大，最终导致系统内其他正常运行机组解列。所以风力发电机组低电压穿越能力的研究就显得十分必要了。

4 直驱型风力发电机组的主要低电压穿越技术

直驱型风力发电机组主要由风机叶轮、轮毂、永磁同步发电机（PMSG）、直流系统、全功率变流器等部分组成。其中，全功率变流器由机侧变流器和网侧变流器组成，机侧变流器对PMSG进行控制，实现有功、无功的解耦控制和转速调节;网侧变流器控制机组并网、直流系统电压控制，输出有功、无功的解耦控制。直流系统中存在由功率元件和卸荷电阻组成的卸荷电路，主要用于电网故障条件下保持直流母线电压稳定。

对于直驱型风力发电机组，当电网发生电压跌落至一定值时，网侧变流器会出现过电流，此时为了降低电流的大小，机组桨叶会向大角度转动，但此时机侧变流器因PMSG发出的电能，就会造成直流母线过电压，也就是机侧变流器的输出能量与网侧变流器的输出能量不平衡引起的。通常在输入风能不突变的情况下，主控系统检测到机侧、网侧变流器输出能量不平衡时，将传输变桨信号至风机桨叶，最终使得机侧、网侧变流器输出能量匹配。而这种情况多数发生在电网电压跌落等故障时，直流母线电压将以卸荷电路卸掉多余的电荷，从而保持直流系统母线电压的稳定。

5 低电压穿越技术的发展方向

通过以上对直驱型风力发电机组低电压穿越能力的分析，并结合风力发电厂实际运行经验，预计今后在直驱型风力发电机组低电压穿越能力方面会就以下几个方面展开研究：

1）直流系统卸荷电路采取更好的卸荷电阻及功率元件，在电网发生电压跌落等故障时，快速降低直流母线电压，从而保证风机不脱网连续运行，并能够向系统输出一部分无功功率。

2）采取优化控制策略，使风机桨叶变桨速度更快，满足机侧、网侧变流系统输出电能快速匹配，从而实现低电压穿越。

3）研究在电网故障下的相关的电子稳压装置和快速无功补偿装置，帮助稳定风机网侧电压，使机侧、网侧变流系统不会产生很大的偏差，避免机组快速脱网，给予风力发电机组调节和输出无功的时间。

6 结语

随着以直接驱动永磁同步发电机为主体的大型风力发电机组装机容量的不断增加，提高直驱型风力发电机组的低电压穿越能力对于电网的安全运行显得至关重要，电力系统也对风力发电系统在电网故障下的连续运行能力提出了具体要求。因此，提高低电压穿越能力将是未来科技研究的重点。本文对直驱型发电机组在低电压穿越能力方面的表现、研究及发展方向进行了综合阐述。

参考文献：

[1]中国新能源网.《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T19963-2011）2015（07）：08-10

[2]杨俊华.电力系统故障分析方法探究[J].技术与市场，2012（12）：75-75

[3]李建林，胡书举，孔德国，许洪华.全功率变流永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化，2018（10）：92-95