趙煒，趙耀，楊俊，秦睿，董開松，鄭翔宇

（甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050）

隨著風(fēng)電在我國電力生產(chǎn)中所占的比例越來越大，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響日益受到重視。從圖1可以看出，在2009-2011年間我國的風(fēng)電裝機(jī)容量以每年近40%的速度增加，截至2012年12月，我國新增安裝風(fēng)電機(jī)組7 872臺，裝機(jī)容量12 960 MW；累計安裝風(fēng)電機(jī)組53 764臺，裝機(jī)容量75 324.2 MW，累計裝機(jī)容量同比增長20.8%[1]。

圖1 2001-2012年中國新增及累計風(fēng)電裝機(jī)容量（來源：中國風(fēng)能協(xié)會CWEA）Fig.1 China’s newly installed newly installed and accumulative wind power capacity in 2011-2012（Source:China Wind Energy Association CWEA）

在風(fēng)電裝機(jī)容量迅速增長的同時，我國風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定相對滯后，初期建成并網(wǎng)的風(fēng)電場設(shè)備質(zhì)量參差不齊，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力（Low Voltage Ride-Through，LVRT），這就成為2011年多起風(fēng)電機(jī)組集中脫網(wǎng)事故的主因[2-4]。低電壓穿越能力代表風(fēng)電場對事故的反應(yīng)能力，是指當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故或擾動而引起并網(wǎng)點電壓跌落時，在指定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組/風(fēng)電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行[5]，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力是風(fēng)電場具備低電壓穿越能力的基礎(chǔ)和必要條件。為了確認(rèn)風(fēng)電場是否具備低電壓穿越能力，從2011年底開始，全國風(fēng)電裝機(jī)較多的省份陸續(xù)開始了風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力現(xiàn)場檢測，通過檢測進(jìn)行風(fēng)電場涉網(wǎng)安全性整改和隱患治理工作。以甘肅酒泉風(fēng)電基地為例，通過測試發(fā)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越方面的技術(shù)缺陷并提供給風(fēng)電場及風(fēng)機(jī)制造商進(jìn)行有的放矢的改進(jìn)，促進(jìn)了設(shè)備整改，經(jīng)過整改酒泉地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平得到了明顯提高，未再發(fā)生風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)事件。本文就低電壓穿越試驗及試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測試

1.1 風(fēng)電場低電壓穿越能力要求分析

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越測試主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是《GB/T 19963—2011風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和《IEC 61400—21:2008 Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines》。國標(biāo)中對風(fēng)電場（風(fēng)電機(jī)組）低電壓穿越的要求如圖2所示。具體要求可以歸納為4點[5]：

1）當(dāng)風(fēng)電場的并網(wǎng)點電壓跌落至20%的標(biāo)準(zhǔn)電壓時，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該能夠不脫網(wǎng)并且持續(xù)運行0.625 s，并且在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)其并網(wǎng)點電壓能夠恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的90%。

2）風(fēng)電場的并網(wǎng)點的電壓跌落的故障類型包括：三相短路故障（如圖3）、兩相短路故障（如圖4）和單相接地故障。

3）從故障消除時起，風(fēng)電機(jī)組的有功功率應(yīng)該能夠快速恢復(fù)到故障前的值，確保其速度為每秒10%的額定功率。

圖3 LVRT試驗測試中，風(fēng)機(jī)中壓側(cè)三相電壓跌落波形Fig.3 Thethree-phasevoltagedrop waveform at themedium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

圖4 LVRT試驗測試中，風(fēng)機(jī)中壓側(cè)兩相電壓跌落波形Fig.4 The two-phase voltage drop waveform at the medium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

4）針對風(fēng)電場動態(tài)的無功支撐能力的規(guī)定：裝機(jī)容量在百萬千瓦級規(guī)模以上的風(fēng)電場群，低電壓穿越過程中應(yīng)該具有動態(tài)無功的支撐能力。具體要求見國標(biāo)GB/T 19963—2011中9.4款[5]。

1.2 風(fēng)電場低電壓穿越能力測試方法

風(fēng)電場低電壓穿越能力測試的目的就是采用適當(dāng)?shù)脑囼灧椒?，驗證風(fēng)電場是否具有以上4個方面的低電壓穿越能力。

目前并網(wǎng)運行的風(fēng)電場一般容量都在50 MW以上，大規(guī)模的風(fēng)電場裝機(jī)可達(dá)300 MW以上；接入電壓都在110 kV以上。以現(xiàn)有技術(shù)水平，尚無法精確檢測風(fēng)電場的低電壓穿越能力，目前較為通行的方法是通過單臺風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越試驗驗證風(fēng)電場的低電壓穿越能力。由于目前風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)采用三角形接法并網(wǎng)，電網(wǎng)的單相接地故障和兩項短路故障在風(fēng)電機(jī)組箱變低壓側(cè)都反映為兩項短路故障，因此只測試風(fēng)電機(jī)組三相短路（對稱跌落）和兩相短路故障（不對稱跌落）時的低電壓穿越能力。圖5是目前較為普遍采用的阻抗分壓式低電壓穿越測試裝置，測試基本過程就是利用該裝置，在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點（一般是風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)，也稱為風(fēng)電場中壓側(cè)）按照標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)生實際的對稱或不對稱電壓跌落，采集被測風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)情況，以此作為判斷風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力的依據(jù)。

圖5 阻抗分式測試設(shè)備原理圖Fig.5 Schematic of impedance fractional test equipment

測試過程按照國標(biāo)（GB/T 19963—2011）和IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61400—21：2008）[6]的規(guī)定，對每臺機(jī)組在大功率（P>90%Pn）和小功率（10%Pn＜p＜30%Pn）工況下、分別進(jìn)行三相及兩相電壓跌落測試，跌落深度為20%Ur，檢測驗證風(fēng)電機(jī)組是否具備低電壓穿越能力。受檢機(jī)組連續(xù)兩次均穿越成功方可認(rèn)為通過，若有一次穿越失敗即認(rèn)為性能未達(dá)標(biāo)。

圖4所示是試驗設(shè)備連接在風(fēng)機(jī)是箱變35 kV高壓側(cè)，風(fēng)機(jī)實際功率P＞風(fēng)機(jī)額定功率Pn時，試驗設(shè)備模擬三相短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點線電壓跌落至額定電壓的20%，跌落持續(xù)時間0.625 s。

圖5所示是試驗設(shè)備連接在風(fēng)機(jī)是箱變35 kV高壓側(cè)，風(fēng)機(jī)實際功率P＞風(fēng)機(jī)額定功率Pn時，試驗設(shè)備模擬兩相短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點兩相線電壓跌落至額定電壓的20%，跌落持續(xù)時間0.625 s。

圖6所示是風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測試中，風(fēng)機(jī)在大功率試驗工況（>90%Pn）下運行時，試驗設(shè)備模擬短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點線電壓跌落20%，電壓恢復(fù)后，風(fēng)電機(jī)組有功功率在1 s內(nèi)恢復(fù)。

圖6 LVRT試驗測試中，中壓側(cè)有功功率和無功功率波形1Fig.6 The active and reactive power waveform 1 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

圖7 所示是風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越實際測試中，風(fēng)機(jī)在大功率試驗工況（>90%Pn）下運行時，試驗設(shè)備模擬短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點線電壓跌落20%，電壓恢復(fù)后，有功功率在7 s內(nèi)恢復(fù)。圖5和圖6的試驗測試均證明被測機(jī)組滿足國標(biāo)對有功恢復(fù)的要求，試驗風(fēng)機(jī)的額定功率為1 500 kW，按照標(biāo)準(zhǔn)從故障清除的時刻開始10 s內(nèi)應(yīng)恢復(fù)至跌前水平。

圖7 LVRT試驗測試中，中壓側(cè)有功功率和無功功率波形2Fig.7 The active and reactive power waveform 2 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

2 測試中的風(fēng)機(jī)故障

針對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的測試是對其整體低電壓穿越性能的測試，機(jī)組與電網(wǎng)電壓跌落有關(guān)的任何一方面不滿足要求，都有可能造成其在電壓跌落期間脫網(wǎng)。目前認(rèn)為與風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越性能有密切關(guān)系的機(jī)組部件主要有3大類，即機(jī)組的主控系統(tǒng)、變流器、變槳系統(tǒng)等主要部件。這幾類部件是風(fēng)機(jī)的主要部件，由于這些部件造成風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越期間脫網(wǎng)可以認(rèn)為是機(jī)組的性能不滿足要求。除此3類部件之外，機(jī)組其他非關(guān)鍵性零部件發(fā)生故障或失效也有可能造成風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越期間脫網(wǎng)，以下分別介紹測試過程中出現(xiàn)的這兩類原因造成的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)案例。

2.1 風(fēng)機(jī)性能不滿足要求

1）案例1 低電壓穿越過程中風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)

在酒泉地區(qū)某風(fēng)場進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越試驗過程中，測試大功率（P>90%Pn）工況時風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，被測風(fēng)機(jī)變流器報“變流器母線電壓高故障”。測試波形圖如圖8所示，圖中P為有功功率，Q為無功功率，曲線按照標(biāo)幺值繪制。由此，可認(rèn)定該機(jī)型（含被測風(fēng)機(jī)變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等）低電壓穿越性能不滿足要求。后經(jīng)查明，測試時塔筒溫度達(dá)47.8℃，制動電阻因連續(xù)兩次滿功率深度跌落后溫度會升高，制動電阻溫度過高，使制動效率下降，導(dǎo)致出線直流母線過電壓故障。風(fēng)機(jī)制造商根據(jù)測試數(shù)據(jù)及風(fēng)機(jī)內(nèi)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，提出了解決方案。

圖8 低電壓穿越過程中風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)波形Fig.8 The wind turbine generator off-grid waveform in the LVRRT process

2）案例2 有功恢復(fù)不滿足要求

在酒泉地區(qū)某風(fēng)場進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越試驗過程中，測試大功率（P>90%Pn）工況，風(fēng)機(jī)在電壓跌落后有功開始恢復(fù)，如圖9在跌落后2 s恢復(fù)至跌前水平，但隨后有功功率又開始下降直至電壓跌落10 s后有功仍未恢復(fù)。認(rèn)定該風(fēng)機(jī)不滿足有功恢復(fù)時間的要求，低電壓穿越性能不達(dá)標(biāo)。

圖9 低電壓穿越過程中有功恢復(fù)不滿足要求波形Fig.9 The waveform of the active power recovery which fails to meet the requirements in the LVRRT process

2.2 風(fēng)機(jī)非關(guān)鍵零部件故障造成低電壓穿越能力不達(dá)標(biāo)

低電壓穿越測試中風(fēng)機(jī)零部件（不包括主控系統(tǒng)、變頻器、變槳系統(tǒng)等主要部件）出現(xiàn)意外故障也會導(dǎo)致測試過程中風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)[7-8]。

1）案例3 風(fēng)電場一，雙饋型風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試過程中機(jī)組脫網(wǎng)原因：UPS充電不完全，不足以維持低電壓穿越過程中風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的連接。

被測風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)調(diào)試階段沒有嚴(yán)格核查UPS電源是否工作正常即投入并網(wǎng)運行。該型號風(fēng)機(jī)在低電壓穿越功能改造時，采用AC220 V UPS穩(wěn)壓電源使得再電網(wǎng)電壓下降時，主回路各接觸器保持正常反饋信號，使風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)保持連接。采用主動式Crowbar承受轉(zhuǎn)子側(cè)大電流。通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的無功輸出使網(wǎng)側(cè)電壓提升，從而實現(xiàn)低電壓穿越的功能?？梢?，應(yīng)要求UPS電源在低電壓穿越過程中可靠穩(wěn)定供電。

2）案例4 風(fēng)電場二，雙饋型風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試過程中，風(fēng)機(jī)報“變槳自主運行”，被測風(fēng)機(jī)停機(jī)。經(jīng)檢查，停機(jī)因風(fēng)機(jī)通訊滑環(huán)故障引起。

該機(jī)型發(fā)生故障的滑環(huán)位于輪轂和機(jī)艙的結(jié)合處，主要是為變槳系統(tǒng)提供動力電源以及保持主控和變槳系統(tǒng)的實時通訊。通過機(jī)械式滑針與滑道接觸，滑針在旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)上滑動，并在其旋轉(zhuǎn)過程中保持不間斷接觸。要實現(xiàn)電氣信號實時無誤地傳輸，靜止的滑針和旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)之間是金屬滑動接觸，長久運行會產(chǎn)生磨損，磨損產(chǎn)生的碎末和氧化物附著在滑道和滑針針頭表面，導(dǎo)致滑針與滑環(huán)接觸不良的現(xiàn)象。如果風(fēng)機(jī)定期檢查維護(hù)不到位，在風(fēng)機(jī)運行中，尤其是高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速來回波動大的情況時極易發(fā)生信號丟失，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障停機(jī)。

3）案例5 風(fēng)電場三，雙饋型風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試中機(jī)組報“齒輪箱高速軸超速”故障停機(jī)。

該故障為控制系統(tǒng)軟件超速保護(hù)，齒輪箱高速軸超速故障屬于主控系統(tǒng)告警信號，主控系統(tǒng)通過高速軸測速探頭實時檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行過程中齒輪箱高速軸的轉(zhuǎn)速，提供風(fēng)機(jī)超速保護(hù)的功能。造成該風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的原因可能是在電壓跌落過程中由于風(fēng)速極端不穩(wěn)定，上下波動很大；加上穿越過程中受到強(qiáng)烈震動造成測試傳感器數(shù)據(jù)丟失而引起。

由此可見，低電壓穿越功能不僅僅是主控和變頻器的技術(shù)改造，同時對風(fēng)機(jī)的各相關(guān)部件制造水平和定期檢查維護(hù)也提出了更高的要求。

4）案例6 風(fēng)電場四，雙饋型風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

低穿試驗中機(jī)組故障原因：機(jī)組報“齒輪箱軸承溫度過高”故障停機(jī)。經(jīng)檢查后，風(fēng)機(jī)齒輪箱PT100溫度傳感器中的熱敏電阻接線松動，導(dǎo)致傳感器誤報。

3 結(jié)論及建議

3.1 通過分析低電壓穿越測試中風(fēng)機(jī)發(fā)生的故障得出的結(jié)論

1）決定單臺風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的因素不僅與風(fēng)電機(jī)組的變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等部件有關(guān)，還與機(jī)組的其他零部件有關(guān)。

2）機(jī)組其它零部件不發(fā)生故障或失效，變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等相同的風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越期間的表現(xiàn)應(yīng)相同，但現(xiàn)場實測結(jié)果表明通過模型試驗后機(jī)組的有關(guān)設(shè)備與向現(xiàn)場提供的有較大差異；所以確保產(chǎn)品的同一性和針對這些主要部件開展的現(xiàn)場低電壓穿越檢測具有實際意義與作用。

3.2 依據(jù)已有測試提出的相關(guān)建議

1）風(fēng)電場每臺機(jī)組由于具體的運行歷史和維護(hù)工作不同，變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等一些設(shè)計上的缺陷可能會暴露出來，也有可能不被暴露；因此即便是同一型號的風(fēng)電機(jī)組也在低電壓穿越期間表現(xiàn)出個體差異性，若發(fā)生區(qū)域電網(wǎng)擾動，電壓跌落程度較深，大量風(fēng)電機(jī)組同時進(jìn)入低電壓穿越過程時，同一型號的不同風(fēng)機(jī)個體可能會有不同的響應(yīng)情況。因此，必須結(jié)合風(fēng)機(jī)在全國各地應(yīng)用的情況，針對不同地區(qū)的特殊要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其滿足當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的需要。

2）變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等滿足低電壓穿越要求的風(fēng)電機(jī)組，也有可能因其他非關(guān)鍵性零部件造成低電壓穿越期間的脫網(wǎng)故障，這些部件的發(fā)生故障或失效的原因有可能是制造廠家在設(shè)計中沒有考慮風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越要求，也有可能是由于風(fēng)電場業(yè)主日常的維護(hù)不到位而導(dǎo)致的偶發(fā)性故障。因此建議制造廠家應(yīng)該將低電壓穿越能力的要求在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計中貫穿始終，對每個部件的設(shè)計都要考慮機(jī)組在低電壓穿越過程中的特殊要求。同時風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的提高也要求風(fēng)電場業(yè)主提高機(jī)組的運行和維護(hù)水平，加強(qiáng)部件保養(yǎng)。

3）國標(biāo)（GB/T 19963—2011）僅要求百萬千瓦級的風(fēng)電場在低穿期間具備無功支撐能力，對風(fēng)電機(jī)組低穿期間的無功特性未作明確規(guī)定，對于風(fēng)電場集群的無功特性也未作明確規(guī)定。建議盡快評估目前各類無功補(bǔ)償方式的效果，完善風(fēng)電場在低穿期間提供無功支撐能力的標(biāo)準(zhǔn)，確保電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求，因此為推動技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，開展參數(shù)實測與建模仿真的工作已刻不容緩。

[1]中國風(fēng)能協(xié)會.2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量[EB/OL].（2013-03-13）.http://www.cwea.org.cn/upload/20130313001.pdf．

[2] 張興，張龍云，楊淑英，等.風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)及自動化學(xué)報，2008，20（2）：1-8．ZHANG Xing，ZHANG Long-yun，YANG Shu-ying，et al.Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2008，20（2）：1-8（in Chinese）．

[3]張永明，史偉偉.風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（7）：6-11．ZHANG Yong-ming，SHI Wei-wei.Wind power generator low voltage ride-through technique development[J].Electric Machines&Control Application，2012，39（7）：6-11（in Chinese）．

[4] 關(guān)宏亮，趙海翔，遲永寧.電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組承受低電壓能力的要求[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（7）：79-82．GUAN Hong-liang，ZHAO Hai-xiang，CHI Yong-ning.Requirement for LVRT capability of wind turbine generator in power system[J].Power System Technology，2007，31（7）：79-82（in Chinese）．

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.（GB/T 19963-2011）風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．

[6] 徐學(xué)濤，李偉，林勇剛．提高風(fēng)力機(jī)組可靠性方法研究[J].機(jī)電工程，2009，26（11）：1-4．XV Xue-tao，LI Wei，LIN Yong-gang.Method study on reliability improvement of wind turbine[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine，2009，26（11）：1-4（in Chinese）．

[7]HAMEED Z，HONG Y S，CHO Y M，et al．Condition monitoring and fault detection of wind turbines and related algorithms:a review[J].Renewable Energy.