張鳳蓮，李淑琴

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000；2.浙江海得新能源有限公司，浙江桐鄉(xiāng)314500）

1 引言

近年來，由于風(fēng)電自身的波動性，在大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時，容易對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊。對此，電網(wǎng)運營商通過制定并網(wǎng)導(dǎo)則，對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出特性提出了嚴(yán)格要求，要求風(fēng)電機(jī)組具備低壓穿越能力，即風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落等電網(wǎng)故障下，保持一定時間的不脫網(wǎng)運行，并提供一定無功功率來支撐電網(wǎng)電壓。通過成熟的電力電子控制技術(shù)，能夠很好地實現(xiàn)以上功能［1］。本文介紹了一種結(jié)合快速關(guān)斷晶閘管與IGBT整流-逆變器的低壓穿越改造方案，該方案脫離了主控和變漿，是針對老機(jī)組快速升級的有效解決方案。

2 低壓穿越改造方法工作原理

現(xiàn)在針對變速型風(fēng)電機(jī)組，主流的低壓穿越改造方法是對電控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，包括對主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變流器的升級改造。對于國內(nèi)一定存量較早安裝的機(jī)組，由于技術(shù)的快速發(fā)展，已很難找到相關(guān)廠商進(jìn)行升級改造，或者廠商在國內(nèi)的備件和服務(wù)等不能滿足風(fēng)電機(jī)組技改需求，在這些情況下，實施電控系統(tǒng)的升級改造變得很困難。而整體更換電控系統(tǒng)，代價過大。

采用圖1所示的低壓穿越控制設(shè)備接入到電網(wǎng)與機(jī)組之間，則是一個簡捷可靠的升級方法。

圖1 低壓穿越控制設(shè)備連接入風(fēng)電機(jī)組示意圖Fig.1 The connection diagram of the LVRT control equipment in the wind power system

低壓穿越控制設(shè)備由主功率旁路和支撐回路組成，在電網(wǎng)電壓正常的工況下，由主功率旁路來提供發(fā)電機(jī)組到電網(wǎng)的功率流通路。在電網(wǎng)故障或者電網(wǎng)電壓跌落的工況下，主功率旁路迅速關(guān)斷，由支撐回路在電網(wǎng)端口輸出無功功率用以支撐電網(wǎng)電壓，同時在發(fā)電機(jī)端口跟蹤正常電網(wǎng)電壓，使得發(fā)電機(jī)以及變流器與電網(wǎng)故障隔離開來，順利實現(xiàn)低壓穿越。如圖2所示。

圖2 低壓穿越控制設(shè)備系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 The system topology of the LVRT control equipment

2.1 主功率旁路工作原理

相比于失速型機(jī)組，其在20 ms 內(nèi)主功率旁路關(guān)斷是可以接受的。而變速型機(jī)組對電網(wǎng)電壓的反應(yīng)更為靈敏，因此，主功率旁路的關(guān)斷必須在極短的時間內(nèi)完成關(guān)閉。否則，變流器檢測到電網(wǎng)故障，脫網(wǎng)停機(jī)，不能實現(xiàn)低壓穿越。

主功率旁路通過對主路上的晶閘管進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷來實現(xiàn)電網(wǎng)故障和發(fā)電機(jī)組的快速隔離。強(qiáng)迫關(guān)斷電路通過給每相主功率晶閘管設(shè)計輔助換流電路來實現(xiàn)，如圖3所示。圖3中，虛線所表示的換流路徑分別對應(yīng)主回路電流正負(fù)半周對應(yīng)開通的晶閘管的關(guān)斷。當(dāng)?shù)蛪捍┰娇刂圃O(shè)備檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，根據(jù)跌落發(fā)生時刻的相位，給對應(yīng)相的正半周或者負(fù)半周輔助關(guān)斷晶閘管發(fā)驅(qū)動信號，使得儲能電容上的電壓形成加在主回路晶閘管兩端的反向電壓，由此實現(xiàn)對應(yīng)相主回路晶閘管關(guān)斷。圖4所示為主功率晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電流波形圖，圖4中，通道1，3分別表示A，B兩相主功率晶閘管電流。

圖3 主功率旁路晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電路原理圖Fig.3 The schematic of the forced turn-off circuit for the main power bypass SCR

圖4 主功率旁路晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷電流波形圖Fig.4 The waveforms of the forced turned-off current in the main bypass SCR

從圖4 可以看出，主功率旁路晶閘管在2 ms內(nèi)實現(xiàn)完全關(guān)斷，經(jīng)過主功率回路上的適當(dāng)濾波延遲，變頻器未檢測到電壓跌落故障，能夠持續(xù)并網(wǎng)運行。

2.2 支撐回路工作原理

根據(jù)圖2所示，支撐回路由網(wǎng)側(cè)變流器、機(jī)側(cè)變流器和Chopper 模組組成，支撐回路依靠網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器組成的IGBT 4 象限變換電路，在發(fā)電機(jī)側(cè)，輸出電壓同步電機(jī)定子電壓，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率通過發(fā)電機(jī)側(cè)IGBT 整流為直流電，部分消耗在支撐回路的Chopper 上。同時這部分有功功率，通過電網(wǎng)側(cè)IGBT來實現(xiàn)輸出支撐電網(wǎng)電壓的無功功率，支撐回路電路原理圖如圖5所示。

圖5 支撐回路主電路原理圖Fig.5 The schematic of the voltage regulator circuit

3 低壓穿越改造方法實驗測試

3.1 低壓穿越國家標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB19963—2011 國標(biāo)要求，風(fēng)電場的低壓穿越能力應(yīng)符合圖6的要求［2］。

圖6 GB19963—2011所規(guī)定的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越運行工況范圍Fig.6 The operation area of the wind power system in LVRT according to GB19963—2011

1）風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms；2）風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；對電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的風(fēng)機(jī)，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/s 的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。有功恢復(fù)的變化率由主控給出。

電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有下列動態(tài)無功支撐能力：1）當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓處于額定電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時，風(fēng)機(jī)通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)；自電壓跌落出現(xiàn)的時刻起，該動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間不大于75 ms，并能持續(xù)550 ms的時間；2）風(fēng)機(jī)發(fā)出的動態(tài)無功電流為

式中：IN為風(fēng)機(jī)額定電流；UT為故障期間并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值。

根據(jù)IEC61400—21 標(biāo)準(zhǔn)，采用如圖7 所示模擬電網(wǎng)短路故障引起的電壓跌落故障［3］。

圖7 低壓穿越測試原理圖Fig.7 The schematic of the test circuit for wind power system LVRT

上述拓?fù)渲型ㄟ^控制KS1和KS2斷路器，可實現(xiàn)電壓跌落幅度的控制。

3.2 低壓穿越測試結(jié)果

電網(wǎng)電壓跌落時低壓穿越控制設(shè)備的穿越性能測試結(jié)果如圖8a、圖8b所示。

圖8 性能測試結(jié)果Fig.8 The performance test results

如圖8a 所示，三相電壓跌至20%Un，故障前負(fù)載輸出功率0.23Pn。低壓穿越持續(xù)時間623 ms，低壓穿越期間雙饋變流器電網(wǎng)側(cè)電壓保持平穩(wěn)，旁路電流500 ms 內(nèi)恢復(fù)至故障前電流。如圖8b 所示，三相電壓跌至35%Un，故障前負(fù)載輸出功率0.8Pn。低壓穿越持續(xù)時間883 ms，低壓穿越期間雙饋變流器電網(wǎng)側(cè)電壓保持平穩(wěn)，旁路電流500 ms 內(nèi)恢復(fù)至故障前電流。

山西電科院的現(xiàn)場實測波形圖如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場測試結(jié)果波形圖Fig.9 The waveform of the field test results provided

4 低壓穿越改造方法實施

出于安裝和維護(hù)方便來考慮，一般將低壓穿越控制設(shè)備放置在塔筒底部。需要穿過塔筒門進(jìn)行的安裝過程如圖10所示。

圖10 低壓穿越控制設(shè)備的塔筒內(nèi)安裝示意圖Fig.10 The installation diagram of the LVRT control equipment in wind tower

穿過塔筒并在塔筒內(nèi)安裝完畢低壓穿越控制設(shè)備之后，將原塔筒內(nèi)變流器網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電纜拆除；然后將拆除的線纜接至低壓穿越控制設(shè)備進(jìn)線側(cè)；再將準(zhǔn)備好的電纜從低壓穿越控制設(shè)備機(jī)側(cè)出線接至原塔筒內(nèi)變流器進(jìn)線側(cè)，上述完成之后，啟動低壓穿越控制設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備正常運行，變流器順利啟動，機(jī)組并網(wǎng)，之后即可開始低壓穿越測試。從卸車吊裝到在塔筒里調(diào)試完畢，只需要1到2天的時間。

實際低壓穿越控制設(shè)備的使用過程中，由于未對主控進(jìn)行任何修改，用戶對發(fā)電機(jī)組的操作不變。主控監(jiān)視的電網(wǎng)電壓因為該設(shè)備的存在而更加穩(wěn)定，只有通過低壓穿越控制設(shè)備的后臺才能看到機(jī)組何時發(fā)生了低壓穿越。對于變頻器安裝在塔筒底部的機(jī)組，塔筒底部的操作和維護(hù)空間會因為低壓穿越控制設(shè)備的安裝而有所減少。

5 結(jié)論

通過在現(xiàn)場風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的安裝和低壓穿越測試，證明低壓穿越控制設(shè)備是一種安裝實施簡便迅速、性能可靠的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越改造方案，對于我國現(xiàn)有存量的大功率風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越改造和風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的提高有著重要的意義。

［1］Chen Zhe，Josep M Guerrero，F(xiàn)rede Blaabjerg. A Rewiee of the State of the Art of the Power Electronics for Wind Turbines［J］. Power Electronics，IEEE Transaction on，2009，24（8）：1859-1874.

［2］GB/T 19963—2011.風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［M］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布，2011.

［3］IEC61400—212008—8 Part 21：Measuement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines［S］.