風機發電低電壓穿越技術探析

王裔飛

(國華(錫林郭勒)新能源有限公司,內蒙古錫林浩特 026000)

風機發電低電壓穿越技術探析

王裔飛

(國華(錫林郭勒)新能源有限公司,內蒙古錫林浩特 026000)

當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時,在電壓跌落的范圍內,風電機組能夠不間斷并網運行。電力系統對風電場接入電網時的要求愈來愈嚴苛,而低電壓穿越被公認為風電機組設計及控制的難點,制約著風電機組的大規模應用,本文筆者結合多年實踐簡要探討了風電機組低電壓穿越的問題。

風電 低電壓穿越 應用設計

低電壓穿越能力是當電力系統中風電裝機容量比例較大時，電力系統故障導致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統運行的穩定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(LowVoltageRide Through，LVRT)能力，保證系統發生故障后風電機組不間斷并網運行。風電機組應該具有低電壓穿越能力:(1)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行620ms的低電壓穿越能力; (2)風電場電壓在發生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網運行;(3)風電場升壓變高壓側電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網運行。

1 風機低電壓穿越的要求

通俗而言，LVRT就是風電機組的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續維持運行，甚至繼續為系統提供一定無功以幫助系統恢復電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風力發電機能大大減少風電機組在故障時反復并網次數和對電網的沖擊，因為其可躲過保護動作時間，故障切除后恢復正常運行。

在出現電網故障電壓降低的情形下，具備了低電壓穿越能力的風電機組則可盡最大可能與電網連接，延續電力運能，減輕電網波動。一般而言，230KV及以上高電壓等級線路的故障，在6個周波(120ms)內被切除，100ms內電壓可恢復到15%的正常水平，而1s內可恢復到75%的正常水平甚至更高的電壓水準，低電壓穿越能力實則是一種風電機組在故障電壓短時間消失期間，能夠保持持續運行的能力，但此后電壓仍處在低壓，則風電機組則將會被低壓保護裝置切除。

對于風電裝機容量占其他電源總容量比例大于5%的省級電網(區域級電網)，則要求該電網區域內運行的風電場應具備低電壓穿越能力。通常要求，風電場內的風電機組要具備在并網點電壓跌至額定電壓的20%時，能夠保證不脫網連續運行625ms的能力;風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。此外，當電網發生三相短路故障引起的并網點電壓跌落狀況下、當電網發生兩相短路故障引起的并網點電壓跌落狀況下、當電網發生單相接地短路故障引起的并網點電壓跌落狀況下，風電場并網點各線電壓在規定電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須要具備保證不脫網連續運行的能力;風電場并網點任意相電壓低于或部分低于規定電壓輪廓線時，場內風電機組允許從電網切出。

2 低電壓穿越方案

在當前技術條件下，通常通過三種方案來實現風電機組的低電壓穿越，其一是引入新型拓撲結構;其二是采用轉子短路保護技術;其三是采用合理的勵磁控制算法。

在了解了電網電壓突然降低對發電機造成的影響及后果后，我們就會知道為什么風電機組應該具備低電壓穿越的能力。在電網故障出現時，發電機機端電壓的突然降低，勢必形成發電機繞組磁通的變化，在定子和轉子側都形成過流。在傳統機組中，勵磁系統可以通過強勵方式把電壓支撐在1pu，可以支持短路點的短路電流，如果發生磁通突變，如果轉子和定子的超載能力仍在過流數值之上，機組仍能保持造成運行。在系統發生故障后，LVRT能力可以保證風電機組的不間斷并網運行，如果LVRT不具備，則發生電網電壓跌落狀況下，風機自身的保護系統動作會切斷風機與電網的連接，電網電壓會降的更低，這對電網而言無疑是雪上加霜的打擊，嚴重情況下勢必引發系統整體崩潰。

3 低壓穿越的實現技術

風電場低電壓穿越能力的最終實現還是基于風電機組低電壓穿越能力的實現，因此風電機組具有低電壓穿越能力尤為重要。

電網電壓跌落對并網風電機組有著較大的影響。暫態過程導致發電機中出現的過電流會損壞電力電子器件，附加的轉矩、應力過大則會損壞風電機組的機械部件。對于雙饋式變速風電機組，在電網發生故障導致機端電壓跌落時，發電機定子電流增加，快速增加的定子電流會導致轉子電流急劇上升，另外由于發生故障時風輪吸收的風能不會明顯減少，而風電機組由于機端電壓降低，不能正常向電網輸送有功功率，即有一部分能量無法輸入電網，這些不平衡能量將導致風電機組出現直流環節電容充電、直流電壓快速上升、風電機組加速等一系列問題。

要實現風電機組的低電壓穿越，其關鍵是風電機組變流器保護和主控及槳距角控制的配合。實現雙饋式變速風電機組低電壓穿越能力的常用技術有兩種:一是在機組轉子與變流器之間增加一個旁路電路，故障時投入旁路電路將轉子側變流器短路，保證變流器避開過電流的沖擊，從而起到保護作用;二是在兩個變流器之間的直流環節加入能量泄放模塊，當檢測到直流電壓過高則觸發該模塊以泄放多余的不平衡能量。

風電機組的低電壓穿越能力可以通過使用電壓跌落發生裝置對風電機組進行低電壓穿越測試來證明。不同風況對應了不同能量水平下的風電機組低電壓穿越特性，因此需要分別進行測試，這使得風電機組低電壓穿越測試的周期較長，一般需要2個月左右。等待各種合適風況所耗費的時間，占據了測試的大部分。其次，風電機組廠商需要進行前期摸底試驗和低電壓穿越控制策略的改進調整，也占用了較多時間。

4 結語

風力發電的發展趨勢必定是建立更多具備低電壓穿越能力的風電場。現行的低電壓穿越技術僅能應對短時間的電壓跌落，且還存在諸多不足。在我國，面對具體區域電網和具體接入點如何合理的運用低電壓穿越技術，是擺在電網、風電運營商、和風機廠商面前亟待解決的共同課題。

[1]紀勇.風電并網對電網安全的影響[J].農村電氣化,2009(03).