王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等專科學校，江蘇鎮(zhèn)江212000）

風電場風電機組低電壓穿越功能的實踐研究

王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等?？茖W校，江蘇鎮(zhèn)江212000）

低電壓穿越是風電機組的一項功能，當電網擾動或故障引起風電場并網點電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風力發(fā)電機組能夠不間斷并網運行，從而維持電網的穩(wěn)定運行，避免風機脫網而造成巨大危害。因此，在明確不同類型風電機組達到LVRT功能要求所需技術措施的基礎上，詳細論述低電壓穿越功能實現(xiàn)的工作流程。

低電壓穿越；工作模式；風電機組

0 前言

2012年4月，某風電場因為山火引起500 kVⅡ回線路跳閘發(fā)生了脫網事件，12時46分08秒，風電場系統(tǒng)電壓是115.2 kV，相電壓是

66.8 kV。受電網電壓波動影響A、B、C三相電壓分別是：A相電壓降至最低52.3 kV，B相電壓降至最低52.4 kV，C相電壓降至最低52.4 kV；13時33分04秒，風電廠再次遭受電網電壓波動時，系統(tǒng)電壓是115.2 kV，相電壓是66.5 kV，A、B、C三相中A相電壓降至最低51.6 kV，B相電壓降至最低51.6 kV，C相電壓降至最低51.5 kV。在兩次電網電壓波動過程中，風電場風機全部解列，當系統(tǒng)電壓恢復后，調度令所有風機投入運行。風力發(fā)電機本來以額定轉速運轉，轉速約20轉/秒；當大量風電機組脫網后，轉速有可能馬上失控而上升到30～40轉/秒，導致“飛車”事故，造成風機倒塌甚至機毀人亡。此次事件的發(fā)生，造成風機大量脫網事件的原因是風電場的風機都沒有啟用低電壓穿越功能。

1 國家電網的低電壓穿越要求

根據國家能源局2009[1465]號文件的規(guī)定，風機應根據Q/GDW 392-2009《風電場接入電網技術規(guī)定》，其低電壓穿越的具體要求為：

1）當風電機組并網點電網電壓在90%額定電壓以上時，風電機組應能連續(xù)運行；

2）當風電機組并網點電網電壓發(fā)生單相或多相跌落故障時，風機應能夠按照設定的工作曲線連續(xù)工作不脫網。允許的最大跌落深度為20%額定電壓，要求風電機組能夠維持運行625 ms（跌落時間）。

3）如果電網電壓在2 s內恢復，風機也不應脫網。

具體的低電壓穿越曲線如圖1所示。

圖1 低電壓穿越曲線

2 不同類型風電機組達到LVRT功能要求的技術措施

固定轉速風電機組采用的是普通異步電機作為發(fā)電機，一般運用靜止無功補償裝置（SVC），采用無功補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)風電機組的低電壓穿越功能，滿足風電機組對LVRT要求的并網標準。

雙饋變速風電機組，機組本身可以實現(xiàn)LVRT功能。當系統(tǒng)外部故障引起風電機組端電壓跌落時，風電場能維持運行，滿足風電機組LVRT要求的風電并網標準。

由于并網標準對風電機組有LVRT的要求，從而增加了風電機組造價。

已建成的風電場，改造風電場風機低電壓穿越相關設備的軟硬件，實現(xiàn)LVRT低電壓穿越功能。

2.1 雙饋變速風電機組的LVRT原理

雙饋發(fā)電機組的轉子通過一個背靠背PWM變流器與電網相連。電網側變流器主要是控制電容電壓恒定，為轉子側變流器提供電源；轉子側變流器提供幅值、相位和頻率可變的勵磁電流給轉子繞組，對機組輸出的有功和無功獨立進行控制。

當系統(tǒng)外部短路故障時，雙饋電機定子電流增大，定子電壓和磁通突然下降，轉子側感應電流增大。雙饋變速風電機組為保護轉子側變流器，轉子側都裝有轉子短路器。當轉子側電流超過設定值一定時間時，轉子短路器投入，轉子側變流器退出運行，電網側變流器與電網仍然相連，風電機組仍并網運行。當系統(tǒng)外部故障導致的低電壓持續(xù)存在的情況下，雙饋風電機組控制過程（故障后保護迅速動作切除故障則不需考慮過程2）如下：

1）當轉子側電流或者變流器直流電壓超過設定限值時，轉子短路器旁路轉子側變流器，電網側變流器仍然通過變壓器與電網相連；

2）風機槳距角控制系統(tǒng)即刻起作用，減少風機捕獲風能，從而重新建立風電機組機端電壓；

3）清除故障后，機組端電壓恢復，轉子側變流器投入正常運行。

當轉子側電流升高的值危害不到轉子側變流器時，轉子短路器不動作，轉子側變流器仍然繼續(xù)工作，如果此時機端電壓降低，電機本身的調節(jié)能力就可實現(xiàn)LVRT功能，不用調節(jié)槳距角。

當定子電壓和磁通跌落時，雙饋電機電磁轉矩和輸出功率下降，若此時機械負載不變，必定使轉子加速。所以，當系統(tǒng)外部故障使低電壓持續(xù)存在時，轉子短路器投入的同時還需調節(jié)風機槳距角，減少風能的捕獲，減小風機機械轉矩。

2.2 相關設備軟硬件的技術改造

對風電場風機進行低電壓穿越相關設備的軟硬件改造，實現(xiàn)LVRT低電壓穿越功能，包括變流器系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)3個部分的改造工作。

2.2.1 變流器系統(tǒng)低電壓穿越

首先，對變流器低電壓穿越硬件進行改造。本改造以上海電氣W1250（高原型）風電機為例，為防止電網電壓波動或異常對并網斷路器及其他 220VAC交流控制回路造成不良影響，需要將變流器原來的24VDC蓄電池組替換為220VAC 1 000Ah的UPS不間斷電源。

當電網出現(xiàn)電壓跌落時，風電機組發(fā)電機能量不能正常輸送入電網，會使得變流器直流母排電壓異常升高，造成母排電容和功率模塊控制異常并損害。所以，增加HOOPER組件，通過實時控制CHOOPER組件IGBT的通斷及電阻型能量泄放回路，維持直流母排電壓的穩(wěn)定。

在電網出現(xiàn)低電壓時，變流器控制機側逆變器滅磁停止給轉子勵磁電流，但是因發(fā)電機定子無法輸出，會在發(fā)電機轉子繞組上造成很大的堵轉電流，甚至損害轉子繞組。為此，需要將電機轉子側的無源CROWBAR替換為有源CROWBAR。通過實時控制 CROWBAR組件IGBT的通斷及電阻型能量泄放回路來實現(xiàn)轉子側能量的釋放。

其次，對變流器CCU控制板進行改造。升級原有的變流器控制板CCU，使變流器滿足LVRT功能的需要，并同步升級LVRT相配套的控制板程序。

在改造硬件的同時，還需要同步升級LVRT相配套的控制程序，以保證風機在電網發(fā)生低電壓故障時不脫網，同時在電網故障恢復過程中，向電網提供無功支持。

升級后，變流器系統(tǒng)增加一個“變流器低電壓穿越工作模式”，同時將此狀態(tài)送至主控系統(tǒng)，以便兩個系統(tǒng)協(xié)同工作。

2.2.2 主控系統(tǒng)低電壓穿越

上海電氣W1250（高原型）風電機組配置的主控系統(tǒng)為MITA WP3100，主控系統(tǒng)軟件中已經集成了低電壓穿越功能（Low Voltage Ride Through）。該軟件不僅包括低電壓穿越功能，還包括高電壓穿越、低頻率穿越、高頻率穿越功能，統(tǒng)稱為FRT（Fault Ride Through）。

在風電機組中，電網電壓、電流及頻率的檢測由主控系統(tǒng)與變流器系統(tǒng)同時進行。主控系統(tǒng)的計算周期與變流器的DSP（Digital Signal Process）芯片處理時間相對比，主控系統(tǒng)的計算周期相對較慢，所以變流器系統(tǒng)檢測到低電壓跌落情況更快。為此變流器系統(tǒng)將“變流器低電壓穿越模式”的信號，送給主控系統(tǒng)，使機組主控系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)的低電壓穿越同步動作。

主控系統(tǒng)接收到變流器送來的“變流器低電壓穿越模式”信號后，控制風輪槳葉收槳，降低葉輪風能的吸收量，另外控制風輪轉速不至于過低，防止低功率脫網。另外，主控系統(tǒng)也要檢測電壓跌落情況，主要為了避免變流器系統(tǒng)送來的“變流器進入低電壓穿越模式”信號線的故障。即使主控系統(tǒng)未收到變流器送來的“變流器進入低電壓穿越狀態(tài)”信號，主控系統(tǒng)也會主動進入低電壓穿越模式。

為適應低電壓穿越要求，主控系統(tǒng)也需要進行控制軟件升級。

2.2.3 變槳系統(tǒng)低電壓穿越

上海電氣W1250（高原型）風電機組使用比例閥控制的液壓變槳方式，配置有足夠容量的蓄能器，能夠保證系統(tǒng)在故障情況（包括低電壓穿越）安全順槳。所以，低電壓穿越情況下，變槳系統(tǒng)不需要做任何改動。

3 低電壓穿越過程

3.1 變流器低電壓穿越工作流程

變流器低電壓穿越工作流程如圖2所示。

圖2 變流器低電壓穿越工作流程

3.2 正常低電壓穿越

主控系統(tǒng)的正常低電壓穿越工作模式稱為“協(xié)調低電壓穿越”工作模式，穿越過程為：當電網電壓發(fā)生波動（單相、兩相或三相電壓發(fā)生跌落），變流器系統(tǒng)首先檢測到電網電壓變化，變流器進入低電壓穿越模式，同時送出“變流器進入低電壓穿越模式”狀態(tài)信號給主控系統(tǒng)。

當主控系統(tǒng)接收到變流器系統(tǒng)送來的“變流器進入低電壓穿越模式”狀態(tài)信號，主控系統(tǒng)將觸發(fā)狀態(tài)碼，進入低電壓穿越模式收槳，并控制收槳速度和風輪轉速，確保風輪轉速不低于風機系統(tǒng)允許的最低工作轉速，避免脫網。

主控系統(tǒng)在接受到來自于變流器的“變流器進入低電壓穿越模式”狀態(tài)信號的同時，主控系統(tǒng)也會檢測電網電壓的跌落情況（包括三相跌落情況、跌落深度及跌落時間），給出相應的信息狀態(tài)碼（不停機）。

當電網電壓跌落時，主控系統(tǒng)690VAC、400VAC工作電源的設備不能正常工作。主控系統(tǒng)將閉鎖這些設備的啟動及相應的故障代碼。由于主控系統(tǒng)配置有 UPS，對于 230VAC、24VDC設備，可保證這些設備在低電壓過程中的正常工作。

如果主控系統(tǒng)檢測到電網電壓跌落深度或跌落時間超出國標允許的范圍，主控系統(tǒng)將報出（低電壓穿越超時）故障碼而啟動停機程序；同時，正常的電網電壓監(jiān)測程序將啟動。根據電網電壓、頻率跌落情況的不同，相應的報出故障碼而停機。

3.3 異常低電壓穿越

為協(xié)調主控系統(tǒng)與變流器系統(tǒng)工作，變流器至主控系統(tǒng)的信號需硬接線，即“協(xié)調低電壓穿越”工作模式。

由于存在變流器至主控系統(tǒng)的“變流器進入低電壓穿越模式”信號硬接線故障（如斷線、松動）的情況，所以主控系統(tǒng)設定了“主動低電壓穿越”工作模式，其主要過程為：

主控系統(tǒng)在沒接收到變流器至主控系統(tǒng)的“變流器進入低電壓穿越模式”狀態(tài)信號的情況下，若檢測到電網電壓跌落發(fā)生，主控系統(tǒng)將延時一段時間后主動進入低電壓穿越狀態(tài)。

在主控系統(tǒng)“主動低電壓穿越”工作模式下的動作過程與“協(xié)調低電壓穿越工作模式”一樣。

主控系統(tǒng)的“主動低電壓穿越”將配合變流器完成機組的低電壓穿越工作。

3.4 低電壓穿越動作連續(xù)發(fā)生

在低電壓穿越工作過程中，變流器能耗制動電阻通過發(fā)熱的方式將變流器吸收的能量消耗掉。若電網連續(xù)發(fā)生低電壓情況，并且連續(xù)2次的時間間隔較短（通常小于20分鐘，具體時間取決于上次低電壓穿越時風機的功率），能耗制動電阻的溫度暫時沒降下來，再一次的能耗制動發(fā)熱將會燒毀能耗制動電阻。為此，為保護變流器，在變流器系統(tǒng)程序內，限制兩次低電壓穿越的允許間隔時間，如果低于允許的間隔時間，風機系統(tǒng)將直接停機，不觸發(fā)低電壓穿越程序。

4 結論

低電壓穿越是風機的一項功能，當電網擾動或故障引起風電場并網點電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風力發(fā)電機組能夠不間斷并網運行，從而維持電網的穩(wěn)定運行，避免風機脫網事故。當電網發(fā)生短暫故障時，由于風機具有低電壓穿越能力，風機能夠不間斷并網，為電網自行調節(jié)贏得時間，提高電網的安全穩(wěn)定性。

[1]劉陵順,胡育文,黃文新.電力電子變換器控制的異步電機發(fā)電技術[J].電工技術學報,2005(5):1-7.

[2]關宏亮,趙海翔,王偉勝,等.風電機組低電壓穿越功能及其應用[J].電工技術學報,2007(10):173-177.

[3]李蕊.風電場低電壓穿越能力檢測技術研究與仿真校核[D].昆明:昆明理工大學,2015.

[4]張森峰.風電場低電壓穿越技術研究[D].西安:西安科技大學,2012.

［責任編輯：劉 月］

Practical Study on Low Voltage Ride Through Function of Wind Farm Wind Turbine Generators

WANG Ruiyun
(Zhenjiang College,Zhenjiang 212000,China)

Low voltage ride through is a function of wind turbine generators.When the power grid disturbance or fault causes the voltage of wind farm grid connection point drop,in a certain range of voltage sag, the wind turbine generators can carry out grid connect operation constantly,so as to maintain the stable operation of the power grid and avoid the fan out of the network causing great harm.Therefore,on the basis of defining the required technical measures for different types of wind turbine generators achieving the LVRT functional requirements,the researcher discusses in detail the work flow of low voltage ride through function realization.

low voltage ride through;working mode;wind turbine generators

TM315

A

2095-5928（2016）06-49-05

2016-09-25

王瑞云（1972-），女，山東海洋人，教授，碩士，研究方向：電氣控制。

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.06.014