摘 要：根據(jù)國家電網(wǎng)的風電場接入技術(shù)的規(guī)定，風電場應(yīng)具備外部電壓故障下不間斷運行能力，即電網(wǎng)故障時風電機組應(yīng)能保持與電網(wǎng)連接并向系統(tǒng)不間斷供電。為保護轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機組，常采用Crowbar保護電路來限制電壓跌落時轉(zhuǎn)子回路的最大電流。本文研究了電網(wǎng)電壓跌落時，雙饋發(fā)電機組的運行行為，通過實驗驗證了Crowbar保護電路的有效性。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；Crowbar；低電壓穿越；

1 引言

近年來，風力發(fā)電在各國發(fā)展迅速。隨著風電在電網(wǎng)比例的增加，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行越來越受到國家的重視。對于變頻恒速雙饋風力發(fā)電機，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，由于與其配套的電力電子變流設(shè)備屬于AC/DC/AC型，容易在其轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生峰值涌流，損壞變流設(shè)備，導(dǎo)致風力發(fā)電機組脫網(wǎng)。如果大量的風電機組因電網(wǎng)跌落故障同時脫網(wǎng)，就會造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定，甚至崩潰。為了維護電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，世界各國電網(wǎng)運營商都推出了各自風電并網(wǎng)低電壓穿越（LVRT）導(dǎo)則。在我國，風電機組有無低電壓穿越能力已成為風機的準入門檻。對于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運的風電場，需要進行機組改造工作，以具備低電壓穿越能力。因此，在電網(wǎng)故障情況下的風電機組低電壓穿越能力現(xiàn)在已成為研究的熱點。

目前，雙饋型風力發(fā)電機（DFIG）占據(jù)著風力發(fā)電裝機容量的主導(dǎo)地位，國內(nèi)外對DFIG的低電壓穿越能力研究較多。針對電壓跌落瞬間的過電流和過電壓，雖然可以通過控制算法從軟件上來抑制，但是其控制效果依靠變流器容量及電機參數(shù)等因素，且控制效果有限。

2 風電機組低電壓穿越能力要求

當電網(wǎng)發(fā)生故障時，風電場需維持一段時間與電網(wǎng)連接不脫網(wǎng)，甚至要求風電場在這一過程中能過提供無功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，即低電壓穿越。由中國電科院為主要起草單位編寫的國家標準GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》已于2011年正式發(fā)布，其內(nèi)容對風電場低電壓穿越能力進行了明確規(guī)定：

a） 風電場內(nèi)并網(wǎng)電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。

b） 風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標稱電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

圖1 風電場低電壓穿越要求的規(guī)定

如圖1所示為對風電場的低電壓穿越要求，風電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域時，場內(nèi)風電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內(nèi)風電機組允許從電網(wǎng)切除。

對故障期間沒有切出電網(wǎng)的風電場，其有功功率在故障切除后快速恢復(fù)，需要以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

3 Crowbar保護電路的應(yīng)用

在轉(zhuǎn)子側(cè)增加Crowbar保護電路是雙饋機型中常用的方法，目前采用的是主動保護的方式，即增加Active Crowbar部分。Crowbar保護電路一般安裝在是風力發(fā)電機組變頻柜內(nèi)，是實現(xiàn)低電壓穿越的必備裝置?，F(xiàn)今風力發(fā)電領(lǐng)域有兩種主流機型：雙饋風力發(fā)電機組和直驅(qū)型風力發(fā)電機組。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別和工作方式的不同，Crowbar保護電路的設(shè)計有較大差別。

雙饋風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，進而引起轉(zhuǎn)子繞組的過電壓和過電流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障，在定子電壓中會含有負序分量，負序分量可以產(chǎn)生很高的滑差，使得轉(zhuǎn)子過電壓和過電流的現(xiàn)象更加嚴重。迅速增加的轉(zhuǎn)子側(cè)電流會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機勵磁變流器的電流、有功功率和無功功率都會產(chǎn)生振蕩。

4 低電壓穿越實驗

國家標準要求低電壓穿越測試需要分別在大風速和小風速兩種風況下進行測試，并且電網(wǎng)電壓跌落需要分由兩相短路和三相短路兩種故障情況引起，測試點為電網(wǎng)電壓跌落20%、35%、50%、75%、90%幾種情況。本實驗選用大風速下由電網(wǎng)三相短路引起電壓跌落90%的情況，低電壓穿越實驗地點是為內(nèi)蒙古某風場，實驗風機為1.5MW雙饋風機。

在風機轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowbar裝置后，為保證機組穩(wěn)定運行，不發(fā)生功率振蕩，需要同時降低機械轉(zhuǎn)矩，即低電壓穿越開始時要改變槳葉角度。電網(wǎng)電壓跌落前，風速21m/s，風機轉(zhuǎn)速在1800rpm，風機處于滿發(fā)狀態(tài)；電網(wǎng)電壓跌落時，低電壓穿越開始，主控發(fā)出指令，命令槳葉適當收槳。

在低電壓穿越過程中，從變頻器監(jiān)控軟件中讀取的曲線，如圖2所示，監(jiān)控的曲線依次為1發(fā)電機轉(zhuǎn)速（rpm）、2定子電流（A）、3定子電壓（V）、4轉(zhuǎn)子電流（A）、5轉(zhuǎn)子電壓（V）、6有功功率（kW）。

圖2 電網(wǎng)電壓跌落90%時變頻器主要參數(shù)監(jiān)控曲線

在此低電壓穿越過程中，風電機組不脫網(wǎng)連續(xù)運行；自電壓恢復(fù)時刻開始，有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至實際風況對應(yīng)出力。因此，大風速下由電網(wǎng)三相短路引起電壓跌落90%時，該風機可成功實現(xiàn)低電壓穿越。

5 結(jié)論

本文討論了對風電機組低電壓穿越的標準及要求，分析了Crowbar保護電路的原理，在添加Crowbar保護電路的同時，還對風電機組控制策略進行了調(diào)整，使其功率避免有大波動。通過現(xiàn)場實驗研究了電網(wǎng)電壓跌落時采用Crowbar保護電路的雙饋發(fā)電機組的運行行為，實驗結(jié)果滿足國家標準，驗證了Crowbar保護電路的有效性。

[1]耿華.新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]朱永強.風電場無功補償與電壓控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]周鵬.雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

作者簡介：周四平（1978.9-），男，工程師。