直驅型風力發電機組低電壓穿越能力綜述

劉玉良

摘 要：隨著直驅型風力發電機組在風電場裝機容量占比的增加，直驅型風力發電機組在電網故障下的連續運行變得非常重要。電網要求風力發電機組在電網電壓跌落時能連續運行，而在電網電壓跌落時直驅型風電機組在保證連續運行的同時，又保證了本身的電氣元器件安全運行。本文分析了直驅型風力發電機組在低電壓穿越能力方面的表現，并探討了低電壓故障穿越技術問題及以后的發展方向。

關鍵詞：直驅;風力發電;低電壓穿越

引言

2018年，我國風電在電力結構中占比呈持續性增長態勢，全國風電發電量為3660億千瓦時，占據全部發電量的5.2%。而在風力發電機組中直驅型風力發電機組因少了雙饋型風力發電機組中高速傳動部件故障問題日益突出的齒輪箱，系統效率有了顯著提高，得到了各業主單位的青睞。直驅式風力發電系統已被市場證明在低電壓穿越特性方面擁有出色的性能。同時，電網也要求風力發電系統可以很好地控制輸出，安全地運行在一定的功率因數范圍之內，并且能夠在電網電壓跌落等故障情況下，風力發電機組能夠保持連續運行，并向電網輸出無功，調節系統電壓。因此學術界對直驅型風力發電機組的低電壓穿越能力了各種分析和研究[2]。本文對直驅型風力發電機組在低電壓穿越性能方面進行了綜合闡述。

1 故障穿越能力概念

低電壓穿越（LVRT），指在風力發電機組在電網電壓跌落的時候，風力發電機組能夠保持連續運行，并且向電網輸出一定的無功功率，幫助電網電壓恢復，直到電網恢復正常，從而"穿越"這個低電壓區域。低電壓穿越是對運行中風力發電機組在電網出現電壓跌落時仍保持并網的一種特定的運行能力要求。

目前對風力發電機組的低電壓穿越能力而言，各國都有相應的規程要求，中國標準要求：《風力發電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網連續運行625ms》。可知，低電壓穿越最大深度指標在中國規程中的標準為20%額定電壓。大多數發達國家的風力發電并網規程都比中國嚴格，都提出了零電壓穿越（Zero Voltage Ride Through，ZVRT）要求，而故障類型也分為對稱故障和非對稱故障兩種[2]。實際上，當電網發生短路故障時，受到風力發電機組至升壓站線路、各級變壓器、故障點位置、電網結構等多方面因素的影響，在電網出現電壓跌落式，風力發電機組發電機機端電壓不會像并網點電壓跌落那么深。另外，風力發電機組匹配的箱式變壓器的聯結組別一般都選擇為Dyn11，這就造成了箱式變壓器高壓側出現短路、接地等各種故障時，受箱式變壓器阻抗影響，風力發電機組網側不會出現單相電壓跌落的現象[2]。

2 低電壓穿越的作用及要求

2.1 低電壓穿越的作用

低電壓穿越能力（LVRT），是指當電網電壓下降到一定數值時，風電機組能夠不脫網連續運行，且能夠向電網提供一定的無功輸出，幫助電網系統電壓恢復到正常值的一種能力。如果風電機組不具備低電壓穿越能力，那么當電網電壓出現故障時，風電機組出現大面積脫網，將會對電力系統的運行穩定造成沖擊，甚至將造成其他運行機組與電力系統解列，使得事故擴大，造成毀滅性打擊[1]。

2.2 低電壓穿越的要求

根據《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T 19963-2011）要求，電力系統發生不同類型故障時，若風電場并網點考核電壓在下圖中電壓輪廓線及以上區域時，各風電機組必須保證不脫網連續運行，否則風電機組自動與系統解列。且有如下要求：

風力發電機組低電壓穿越能力

1）風力發電場內的風力發電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625ms的能力。

2）風力發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，風力發電場內的風力發電機組能夠保證不脫網連續運行[1]。

3 電網故障期間風力發電機組解列的危害

3.1 風力發電機組的自我保護

通過研究《金風2.0MW機組主控系統故障解釋手冊》可以得知，一臺2.0MW金風機組可能會產生410條故障類型，其中會造成機組解列停機的有200余條。而電網發生故障時，造成風機的停機故障多為緊急停機，此時風力發電機組槳葉將以7°/s向90°快速關閉，在這個過程中風力發電機組會出現電氣輸出和機械輸入功率不匹配，產生較大的扭矩，而且故障過程中產生的大電流、高電壓會導致發電機的相關電子器件的使用壽命大大縮短，經常需要更換。同時還有可能損壞機械部件。這些故障停機往往很難進行遠方上位機復位，需要維護人員就地進行復位，造成發電量損失[3]。

3.2 風機大面積脫網的危害

通過前文論述已得知，目前我國風電在全國各省份電力系統裝機容量中占比逐年增大，那么在內蒙古、新疆等風電裝機占比較大的省份，如出現風電機組大面積脫網事故，將會增加整個電網系統的恢復難度，甚至可能會使得故障擴大，最終導致系統內其他正常運行機組解列。所以風力發電機組低電壓穿越能力的研究就顯得十分必要了。

4 直驅型風力發電機組的主要低電壓穿越技術

直驅型風力發電機組主要由風機葉輪、輪轂、永磁同步發電機（PMSG）、直流系統、全功率變流器等部分組成。其中，全功率變流器由機側變流器和網側變流器組成，機側變流器對PMSG進行控制，實現有功、無功的解耦控制和轉速調節;網側變流器控制機組并網、直流系統電壓控制，輸出有功、無功的解耦控制。直流系統中存在由功率元件和卸荷電阻組成的卸荷電路，主要用于電網故障條件下保持直流母線電壓穩定。

對于直驅型風力發電機組，當電網發生電壓跌落至一定值時，網側變流器會出現過電流，此時為了降低電流的大小，機組槳葉會向大角度轉動，但此時機側變流器因PMSG發出的電能，就會造成直流母線過電壓，也就是機側變流器的輸出能量與網側變流器的輸出能量不平衡引起的。通常在輸入風能不突變的情況下，主控系統檢測到機側、網側變流器輸出能量不平衡時，將傳輸變槳信號至風機槳葉，最終使得機側、網側變流器輸出能量匹配。而這種情況多數發生在電網電壓跌落等故障時，直流母線電壓將以卸荷電路卸掉多余的電荷，從而保持直流系統母線電壓的穩定。

5 低電壓穿越技術的發展方向

通過以上對直驅型風力發電機組低電壓穿越能力的分析，并結合風力發電廠實際運行經驗，預計今后在直驅型風力發電機組低電壓穿越能力方面會就以下幾個方面展開研究：

1）直流系統卸荷電路采取更好的卸荷電阻及功率元件，在電網發生電壓跌落等故障時，快速降低直流母線電壓，從而保證風機不脫網連續運行，并能夠向系統輸出一部分無功功率。

2）采取優化控制策略，使風機槳葉變槳速度更快，滿足機側、網側變流系統輸出電能快速匹配，從而實現低電壓穿越。

3）研究在電網故障下的相關的電子穩壓裝置和快速無功補償裝置，幫助穩定風機網側電壓，使機側、網側變流系統不會產生很大的偏差，避免機組快速脫網，給予風力發電機組調節和輸出無功的時間。

6 結語

隨著以直接驅動永磁同步發電機為主體的大型風力發電機組裝機容量的不斷增加，提高直驅型風力發電機組的低電壓穿越能力對于電網的安全運行顯得至關重要，電力系統也對風力發電系統在電網故障下的連續運行能力提出了具體要求。因此，提高低電壓穿越能力將是未來科技研究的重點。本文對直驅型發電機組在低電壓穿越能力方面的表現、研究及發展方向進行了綜合闡述。

參考文獻：

[1]中國新能源網.《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T19963-2011）2015（07）：08-10

[2]楊俊華.電力系統故障分析方法探究[J].技術與市場，2012（12）：75-75

[3]李建林，胡書舉，孔德國，許洪華.全功率變流永磁直驅風電系統低電壓穿越特性研究[J].電力系統自動化，2018（10）：92-95