鄭翔宇， 趙廷紅， 董開松， 艾斯卡爾， 馬喜平， 李 臻

(1. 甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2．蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3. 新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引 言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)電、太陽能等可再生綠色能源日益受到世界各國的高度關(guān)注。其中，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、應(yīng)用規(guī)模最大的一種可再生綠色能源發(fā)電技術(shù)。中國風(fēng)電裝機總?cè)萘垦杆僭鲩L，已于2010年底超越美國成為全球風(fēng)電裝機總?cè)萘康谝坏膰摇?/p>

過去，單個風(fēng)電場的裝機容量相對較小，或不存在百萬千瓦級風(fēng)電場群集中接入電網(wǎng)的工程案例。因此，電網(wǎng)故障導(dǎo)致的風(fēng)電場/風(fēng)電機組的自動解列不會對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行造成影響，保護了風(fēng)電機組自身安全。目前，風(fēng)電集中接入電網(wǎng)的裝機容量比例已達(dá)到很高的水平，若風(fēng)電機組還不具備對電網(wǎng)故障的抵御能力，一遇電網(wǎng)故障就自動解列，會增加局部電網(wǎng)故障的恢復(fù)難度，惡化電網(wǎng)穩(wěn)定性，甚至?xí)觿」收蠈?dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

為了維持電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，各國電網(wǎng)公司根據(jù)本國電網(wǎng)自身實際對風(fēng)電場的電網(wǎng)接入提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求，其中風(fēng)力發(fā)電機組的故障穿越能力要求被公認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)要求。

本文研究了主流風(fēng)電市場的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程，歸納并分析了風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計所面臨的故障穿越問題。重點探討了風(fēng)力發(fā)電機組故障穿越諸多問題，如3種主流風(fēng)電機組故障穿越能力與電力系統(tǒng)之間的相互影響，及風(fēng)力發(fā)電機組故障穿越設(shè)計方案。

1 風(fēng)電機組故障穿越概念

世界各國標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電機組故障穿越能力的定義基本一致，其基本內(nèi)容可概括： 當(dāng)電力系統(tǒng)擾動引起并網(wǎng)點電壓超出標(biāo)準(zhǔn)允許的正常運行范圍時，在一定的電壓范圍及其持續(xù)時間間隔內(nèi)，風(fēng)電機組能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，且平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)的一種能力。

通過對各國標(biāo)準(zhǔn)的研究發(fā)現(xiàn)，故障穿越包括低電壓穿越(Low Voltage Ride Through， LVRT)和高電壓穿越(High Voltage Ride Through， HVRT)兩種概念。目前澳大利亞等國對于HVRT已有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但在我國還處于空白狀態(tài)；目前各國對于LVRT并網(wǎng)規(guī)程都有明確要求，是風(fēng)電機組最普遍、重要的故障穿越能力，也是本文主要探討對象。

2 各國并網(wǎng)規(guī)程低電壓穿越技術(shù)要求

通過對各國標(biāo)準(zhǔn)歸納后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機組低電壓穿越問題的重點指標(biāo)有如下幾項。

2.1 故障類型及其嚴(yán)重度

風(fēng)電機組應(yīng)穿越的電網(wǎng)“低電壓故障”類型包括對稱故障和非對稱故障；故障嚴(yán)重度是指故障期間的并網(wǎng)點電壓有效值離其標(biāo)稱值的最大偏移量百分比。

中國標(biāo)準(zhǔn)要求“風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)力發(fā)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms”。可知，LVRT最大深度指標(biāo)在中國規(guī)程中的取值為20%的額定電壓。大多數(shù)風(fēng)電發(fā)達(dá)國家的并網(wǎng)規(guī)程都比中國嚴(yán)格，都提出了零電壓穿越(Zero Voltage Ride Through， ZVRT)要求；而故障類型也是對稱故障和非對稱故障。

2.2 故障持續(xù)時間

就LVRT要求而言，德國E.ON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至0%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)力發(fā)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行150ms”，即在德國E.ON電網(wǎng)中LVRT持續(xù)時間指標(biāo)的取值為150ms。最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)是芬蘭等北歐國家標(biāo)準(zhǔn)，要求風(fēng)電場在0%標(biāo)稱電壓下持續(xù)工作至少250ms。

2.3 故障期間的功率控制要求

該指標(biāo)包括風(fēng)電機組在LVRT期間的有功功率和無功功率控制要求。大多數(shù)國家對LVRT期間的風(fēng)力發(fā)電機組有功控制并無清晰要求，只有丹麥標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電機組在LVRT期間根據(jù)電網(wǎng)電壓實際值按照一定比例關(guān)系盡可能地多發(fā)有功功率。對于LVRT期間的風(fēng)力發(fā)電機組無功控制，大多數(shù)國家都有明確的規(guī)定，如中國標(biāo)準(zhǔn)要求“當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落，且并網(wǎng)點電壓處于標(biāo)稱電壓的20%～90%時，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)能通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)(動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間≤75ms，持續(xù)時間應(yīng)≥550ms)；風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流應(yīng)為IT≥1.5×(0.9-UT)IN。其中，UT(0.2≤UT≤0.9)為并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值，IN為風(fēng)電場額定電流”。

2.4 故障恢復(fù)時間及后期控制要求

該指標(biāo)包括： 故障恢復(fù)時間；故障結(jié)束后的有功功率恢復(fù)速度；故障結(jié)束后的無功功率控制要求和故障結(jié)束瞬間的電氣超調(diào)量控制問題。

以故障恢復(fù)時間為例，中國標(biāo)準(zhǔn)要求“當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)力發(fā)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行”，故LVRT恢復(fù)時間要求為2s。因此，故障恢復(fù)時間取決于各國電網(wǎng)的實際狀況，存在較大的差異性。

LVRT結(jié)束后的風(fēng)力發(fā)電機組有功功率恢復(fù)速度，目前最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)是德國E.ON準(zhǔn)則，要求風(fēng)電場以20%PN/s的速度恢復(fù)到故障之前的值。

LVRT結(jié)束后的無功功率控制，該指標(biāo)的主要意圖是故障結(jié)束(電壓恢復(fù)到(90%～110%)Un的電壓區(qū)域)后使風(fēng)電機組的電網(wǎng)側(cè)電壓盡快恢復(fù)到標(biāo)稱電壓附近?？梢?，故障結(jié)束后的無功功率及其持續(xù)時間的控制取決于電壓的恢復(fù)情況。

LVRT結(jié)束瞬間的電氣超調(diào)量(Over-shoot)控制，規(guī)程內(nèi)容的根本意圖在于保證風(fēng)電機組的各個涉網(wǎng)電氣保護在故障結(jié)束瞬間不被觸發(fā)。當(dāng)然，電氣超調(diào)量的幅值越小越好，進入穩(wěn)定工作點的速度越快越好。

2.5 電壓故障的重現(xiàn)頻次(二次穿越)

大多數(shù)國家對此并無明確要求，只有丹麥標(biāo)準(zhǔn)要求“在兩分鐘之內(nèi)至少兩次低電壓故障穿越”來考核風(fēng)電機組的LVRT能力。

2.6 控制響應(yīng)速度

包括故障類型判別速度和故障發(fā)生瞬間后無功功率響應(yīng)速度兩個要素。一般而言，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時，風(fēng)電機組先試圖對故障類型進行快速判別以確定故障期間的有功/無功功率的控制方式。此外，風(fēng)電機組控制器對電網(wǎng)故障類型快速完成定性后，還要快速進行無功功率調(diào)節(jié)以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

3 電網(wǎng)電壓故障對不同風(fēng)電機組的影響

目前，市場上的主流風(fēng)電機組有3類，分別是直接并網(wǎng)的恒速異步風(fēng)電機組、雙饋異步風(fēng)電機組、直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機組。電網(wǎng)短路故障(因篇幅原因只分析低電壓故障問題)對各種機型的影響簡述如下。

3.1 恒速異步風(fēng)電機組在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

恒速異步風(fēng)電機組系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，發(fā)電機直接連接到電網(wǎng)。這種較強的電壓和頻率耦合使電網(wǎng)故障直接反應(yīng)在電機定子電壓和轉(zhuǎn)速上，最終產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子電流。

圖1 恒速異步風(fēng)電機組系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

此外，在故障過渡過程中，電機電磁轉(zhuǎn)矩波動較大，對齒輪箱等部件產(chǎn)生機械沖擊，會導(dǎo)致部件損壞或機組壽命縮短。

還有，電網(wǎng)故障會降低定子電壓，風(fēng)電機組輸出功率也跟著降低，必然導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速的上升。轉(zhuǎn)速的上升會增加風(fēng)電機組從系統(tǒng)吸收的無功功率，進一步惡化電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，嚴(yán)重時將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓崩潰。

3.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，電網(wǎng)電壓的跌落會導(dǎo)致風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速上升，對傳動系統(tǒng)造成機械沖擊。在電網(wǎng)電壓跌落瞬間，發(fā)電機定子上的大電流，必然引起轉(zhuǎn)子側(cè)較大的感應(yīng)電流。而在電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間，因雙饋風(fēng)力發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收無功功率來恢復(fù)氣隙磁鏈，導(dǎo)致定子側(cè)注入較大的浪涌電流，造成發(fā)電機電網(wǎng)側(cè)電壓的降低。另外，轉(zhuǎn)子側(cè)由于采用了小功率變流器并網(wǎng)，變流器過流能力和DC環(huán)節(jié)的過電壓能力都非常有限，需要在電壓、電流和有功功率控制之間要很好地匹配，以保證功率器件不被過電壓、過電流損壞?？梢?，雙饋風(fēng)電機組在故障期間的暫態(tài)行為較復(fù)雜，故障穿越實現(xiàn)難度較大。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。發(fā)電機經(jīng)過AC-DC-AC全功率變流器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機輸出側(cè)與風(fēng)電機組的電網(wǎng)側(cè)已被“頻率/電壓-解耦”。風(fēng)力發(fā)電機組的故障穿越能力等并網(wǎng)特性主要跟變流器有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，電網(wǎng)側(cè)逆變器電流不能突變，注入電網(wǎng)的有功功率迅速減少。為傳送等同的有功功率，逆變器應(yīng)增加輸出電流，但電壓跌落到一定深度時，因回路電流不可超過逆變器IGBT能承受的最大電流，注入電網(wǎng)的有功功率受到限制。這樣必將導(dǎo)致DC電容輸入功率大于逆變器注入電網(wǎng)的輸出功率，DC電容電壓上升，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至導(dǎo)致部件損壞或更嚴(yán)重的后果?？梢?，直流側(cè)過電壓是因DC回路輸入能量和輸出能量的不平衡引起，釋放這一部分多余的能量是保證直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組故障穿越能力的根本途徑。

圖3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 風(fēng)力發(fā)電機組LVRT能力對系統(tǒng)的影響

已有許多文獻(xiàn)研究了風(fēng)電機組/風(fēng)電場的故障穿越能力，尤其是風(fēng)電機組的LVRT特性對系統(tǒng)的影響。工程實踐也說明風(fēng)電機組/風(fēng)電場的故障穿越特性對電力系統(tǒng)有著不可忽視的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

工程經(jīng)驗說明具備故障穿越能力的風(fēng)電場比不具備該能力的風(fēng)電場具有更好的穩(wěn)定性，尤其是在像中國酒泉地區(qū)這種大規(guī)模風(fēng)電場群高度集中接入的電網(wǎng)中。從電網(wǎng)大系統(tǒng)而言，當(dāng)功角臨界失穩(wěn)時，電壓會降低，而風(fēng)電機組對電壓比較敏感。電壓的降低會導(dǎo)致風(fēng)電機組電壓保護的動作，進一步惡化系統(tǒng)電壓。

(2) 對系統(tǒng)電壓控制的影響。

一個風(fēng)電場一般會含有多種風(fēng)電機組機型，各風(fēng)電機組機型在故障情況下的無功功率調(diào)節(jié)特性不同。風(fēng)電場主變低壓側(cè)也會配有各種類型的無功功率補償設(shè)備，如并聯(lián)電容器組、SVC、SVG等?？梢?，風(fēng)電機組在故障期間的故障判別速度及其對應(yīng)的功率控制(有功功率控制和無功功率控制)方式不僅影響到故障期間的系統(tǒng)無功功率需求和系統(tǒng)潮流分布，而且對電壓控制的精度和效果帶來一定的影響。因此，風(fēng)電機組應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)故障穿越控制任務(wù)。

(3) 對系統(tǒng)發(fā)電計劃，系統(tǒng)規(guī)劃等的影響。

按照目前的電網(wǎng)現(xiàn)狀，假設(shè)風(fēng)電機組可以不具備故障穿越能力，則整個系統(tǒng)的架構(gòu)都要發(fā)生改變，如風(fēng)電場的接入規(guī)模、系統(tǒng)安穩(wěn)裝置配備、系統(tǒng)保護配置及其設(shè)定等，會涉及很多方面，在此不再細(xì)述。

5 風(fēng)電機組LVRT能力實現(xiàn)方案

5.1 恒速異步風(fēng)電機組LVRT技術(shù)方案

使恒速風(fēng)力發(fā)電機組具備LVRT能力的基本思路： 當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，通過采用一定的技術(shù)措施和外加的硬件設(shè)備，避免發(fā)電機大轉(zhuǎn)差率的發(fā)生，防止較大的定子電流、定子電壓和轉(zhuǎn)矩波動對風(fēng)電機組相關(guān)部件的損壞，同時保證風(fēng)力發(fā)電機組不脫網(wǎng)連續(xù)運行；另外，在電網(wǎng)跌落期間，還應(yīng)避免飛車現(xiàn)象和風(fēng)力發(fā)電機組額外無功功率需求對電網(wǎng)電壓恢復(fù)的惡化作用。

目前，LVRT的實現(xiàn)方法是在發(fā)電機和電網(wǎng)之間串聯(lián)一套專用LVRT設(shè)備。

5.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組LVRT技術(shù)方案

有兩種技術(shù)措施： 增設(shè)變流器轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和變流器直流側(cè)Chopper電路。

針對電網(wǎng)電壓跌落，雙饋采取如下策略。

(1) 對較小的電壓跌落，可通過控制策略的調(diào)整使其具備LVRT，無需Crowbar等設(shè)備。

(2) 對大一些的電壓跌落，因直流過電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，Crowbar電路應(yīng)投人運行以避免大電流損害變流器功率器件。此時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被Crowbar電路阻斷，電網(wǎng)側(cè)變流器保持與電網(wǎng)的連接以控制直流母線電壓。

(3) 對較大的電壓跌落，因較大的直流過電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)大電流，Crowbar電路和Chopper電路均投入運行以避免變流器損壞。

5.3 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組LVRT技術(shù)方案

由圖3知，永磁直驅(qū)發(fā)電機組主回路功率平衡方程式為

(1)

式中：Pgen——發(fā)電機輸出有功功率；

Pgrid——風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)注入電網(wǎng)的有功功率；

Pdc——變流器直流母線功率；

Udc——直流側(cè)電壓；

Idc——直流側(cè)電流；

Cdc——直流側(cè)穩(wěn)壓電容。

由式(1)可知，保證直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組滿足LVRT的最根本途徑是把DC-Link回路的多余能量按要求轉(zhuǎn)移出去。目前，比較有效的方法有： (1) 在DC-Link加裝額外儲能裝置；(2) 通過Chopper電路的卸荷電阻以熱量形式進行能耗制動。

6 結(jié) 語

隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中比例的增加，風(fēng)電故障穿越問題越來越受到各方重視。電網(wǎng)實際運行需要也要求風(fēng)電機組必須具備相應(yīng)的故障穿越能力。

風(fēng)電機組的故障穿越過程是一種非常復(fù)雜的暫態(tài)過程，如何精確確定系統(tǒng)對風(fēng)電的接入要求，優(yōu)化設(shè)計風(fēng)電機組，進而從系統(tǒng)層面實現(xiàn)整個大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性是相關(guān)各方必須重視的問題。就風(fēng)電的故障穿越問題而言，至少有如下幾個問題需要引起重視。

(1) 繼續(xù)完善國標(biāo)GB/T 19963—2011，細(xì)化穿越能力考核指標(biāo)。如“故障判別速度”，“無功支持響應(yīng)速度”，“二次穿越問題”，“有功功率控制”等問題都要有明確規(guī)定。

(2) 以具體電網(wǎng)對具體風(fēng)電場的實際要求為首要的接入技術(shù)條件，充分進行項目合同之前的風(fēng)電場接入計算，以計算結(jié)果為導(dǎo)向合理配置風(fēng)電場設(shè)備，既保證系統(tǒng)安全性，又保證投資最優(yōu)化。

(3) 風(fēng)電場的繼電保護問題跟風(fēng)電機組的故障穿越問題應(yīng)統(tǒng)一考慮。風(fēng)電機組/風(fēng)電場的繼電保護問題是風(fēng)電場所接入局部電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要防線，也是風(fēng)電場故障穿越成功的重要保障。風(fēng)電機組的短路電流特性各異，短路電流貢獻(xiàn)程度不一致，風(fēng)電場的潮流分布和短路電流分布特性是否符合傳統(tǒng)繼電保護裝置或自動安穩(wěn)裝置的保護原理應(yīng)引起足夠重視。

風(fēng)電機組的故障穿越能力是風(fēng)電機組最重要的性能指標(biāo)之一。風(fēng)電場/風(fēng)電機組故障穿越各相關(guān)技術(shù)問題有待持續(xù)、深入研發(fā)和實踐。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 力戈,宋新甫,常喜強.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越改進控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(12)： 73-38.

[2] GB/T 19963—2011 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定.

[3] PIKO R, MILLER N, SANCHEZGASA J, et al. Integrating large wind farms into weak power grids with long transmission lines∥Proceeding of Transmission and Distribution Conference and Exhibi-tion. Asia and Pacific, 2005: 1-7.

[4] 王文亮,葛寶明,畢大強.儲能型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(14)： 43- 48.

[5] 劉勝文,包廣清,范少偉,等.PMSG無功控制和低電壓穿越能力的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制[J],2012,40(2)： 135-140.

[6] 肖磊.直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].長沙： 湖南大學(xué),2009.