趙煒， 董開松， 秦睿， 楊俊， 趙耀， 張光儒， 朱宏毅

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，甘肅 蘭州 730050)

具有低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組測(cè)試故障典型實(shí)例分析

趙煒1， 董開松2， 秦睿1， 楊俊1， 趙耀1， 張光儒1， 朱宏毅1

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，甘肅 蘭州 730050)

近年來，西北尤其是甘肅風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量不斷增長，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響日益受到重視。低電壓穿越能力是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的重要考核指標(biāo)之一。2011年以來國網(wǎng)公司西北分部和甘肅省調(diào)在酒泉千萬千瓦風(fēng)電基地共同組織開展了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力抽檢驗(yàn)證工作，共進(jìn)行33座風(fēng)電場(chǎng)44臺(tái)風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過對(duì)測(cè)試過程中遇到的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)故障進(jìn)行分析總結(jié)，找到了影響風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的主要因素，并結(jié)合實(shí)例對(duì)各影響因素進(jìn)行分析闡述。目前，風(fēng)電機(jī)組的硬件維護(hù)水平、主控制策略調(diào)整、軟件設(shè)置和控制版本升級(jí)仍是影響并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的主要因素。

風(fēng)力發(fā)電；低電壓穿越；風(fēng)電機(jī)組測(cè)試；風(fēng)電機(jī)組故障；電壓跌落

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電在電力能源中所占比例越來越大，風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率越來越高，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響不容忽視，對(duì)電網(wǎng)的影響范圍也從局部逐漸擴(kuò)大，風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題日益突出。而甘肅作為全國風(fēng)能資源最為豐富的地區(qū)之一，經(jīng)過2008年以來的快速發(fā)展，截止2015年年底甘肅電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到1 202萬千瓦，位居全國第二。風(fēng)電的迅猛發(fā)展，給甘肅電網(wǎng)乃至西部電網(wǎng)帶來的影響愈發(fā)凸顯[1-4]。

前幾年陸續(xù)發(fā)生了多次因低電壓穿越能力不足導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)事件，根據(jù)事故調(diào)查分析，部分并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，且故障期間未能有效地提供動(dòng)態(tài)無功支撐，是造成風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)的主要原因之一。自2011年起各地區(qū)陸續(xù)開展了風(fēng)電基地內(nèi)風(fēng)電機(jī)組集中整改工作，同時(shí)開展低電壓穿越能力抽檢。以甘肅酒泉千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地為例，通過測(cè)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(chǎng)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[5]。

隨著測(cè)試的進(jìn)行以及風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，近年來各整機(jī)制造廠家、高校及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)和影響風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的因素開展了深入研究，并取得了成果。文獻(xiàn)[6-8]綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外主要類型風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力實(shí)現(xiàn)方案和技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[9-11]介紹了各種硬件保護(hù)電路在提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力方面的作用。文獻(xiàn)[12-14]介紹了風(fēng)電機(jī)組主控制系統(tǒng)及變流器的控制和優(yōu)化策略。

雖然并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力有了明顯提升，但通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組仍會(huì)出現(xiàn)偶有脫網(wǎng)故障的發(fā)生。本文根據(jù)對(duì)酒泉風(fēng)電基地多種廠家機(jī)型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試故障，提出了今后并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力改進(jìn)提升的方向。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試

1.1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試方法

圖1是目前普遍采用的阻抗分壓式低電壓穿越測(cè)試裝置原理圖，即圖2中“LVRT測(cè)試設(shè)備”內(nèi)部線路，選擇TP為測(cè)試點(diǎn)，即風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)將此低電壓穿越測(cè)試裝置串聯(lián)接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓變壓器高壓側(cè)，該裝置利用阻抗分壓原理在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)稱或不對(duì)稱電壓跌落，同時(shí)記錄被測(cè)風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)情況，分析所采集到的數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力進(jìn)行判斷。

圖1 阻抗分壓式測(cè)試設(shè)備原理圖

圖1中Xsr為限流電抗，Xsc為短路電抗。兩者均采用可調(diào)電抗器設(shè)計(jì)，通過改變阻抗分壓比可實(shí)現(xiàn)不同的電壓跌落深度，并且確保電壓跌落測(cè)試不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響，同時(shí)也不會(huì)顯著影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)響應(yīng)。

以某風(fēng)電場(chǎng)雙饋風(fēng)電機(jī)組測(cè)試過程設(shè)備接線為例，LVRT測(cè)試設(shè)備串聯(lián)在風(fēng)電機(jī)組高壓側(cè)與中壓側(cè)送出線路之間(如圖2所示)，LVRT測(cè)試設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集儀記錄從故障前到故障后的風(fēng)機(jī)側(cè)線電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試示意圖(以雙饋型為例)

1.2 風(fēng)電機(jī)組測(cè)試故障統(tǒng)計(jì)

在酒泉風(fēng)電基地進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組改造與抽檢測(cè)試過程中，共完成33座風(fēng)電場(chǎng)44臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的測(cè)試工作，機(jī)型包括國內(nèi)主流風(fēng)機(jī)制造廠商的雙饋和直驅(qū)機(jī)組。其中發(fā)生故障16個(gè)機(jī)型，如表1。除因風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試前保護(hù)設(shè)置的問題導(dǎo)致測(cè)試風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)外，其余15次故障按照原因共分為硬件維護(hù)、軟件控制與升級(jí)、控制策略缺陷等三大類問題。分別占故障比例為：53.3%，26.7%，20%。

表1 故障情況及原因統(tǒng)計(jì)

2 風(fēng)電機(jī)組測(cè)試故障影響因素分析

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)與風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越性能有密切關(guān)系的機(jī)組部件主要有三大類，即機(jī)組的主控系統(tǒng)、變流器、發(fā)電機(jī)等主要部件，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。此外，機(jī)組其它非關(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)。除以上問題外，軟件及其控制策略缺陷也暴露出某些風(fēng)機(jī)廠商對(duì)其產(chǎn)品的低穿改造不完全。

2.1 主控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越影響分析

主控制系統(tǒng)作為整個(gè)電氣控制的大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)風(fēng)電機(jī)組變槳、變流控制，完成遠(yuǎn)程通信、槳距控制、溫度控制、偏航控制、功率控制等功能。隨著各廠家風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力整改日趨完善，該功能已經(jīng)作為主控的不可或缺的指標(biāo)集成在主控制系統(tǒng)中。主控制系統(tǒng)的LVRT控制邏輯可分為三個(gè)階段，即電壓跌落前電壓檢測(cè)階段、電壓跌落期間故障處理階段、電壓跌落后功率恢復(fù)階段。主要差別在電壓跌落期間故障處理階段，對(duì)于LVRT控制方法，不同的主控制系統(tǒng)策略各不相同。主控控制策略缺陷在LVRT測(cè)試中主要表現(xiàn)為有功恢復(fù)曲線不合格，主控故障屏蔽不完全造成的“三相電壓不平衡”、“某相電流過大”等故障會(huì)導(dǎo)致有功恢復(fù)階段脫網(wǎng)等。

圖3 風(fēng)機(jī)出口側(cè)三相電壓跌落波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，中壓側(cè)線電壓有效值)

圖4 直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試功率波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/無功)

圖5 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試功率波形一(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/無功)

圖6 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越過程中有功恢復(fù)不滿足要求波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/無功)

圖3所示電壓跌落裝置在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)模擬的電壓故障。試驗(yàn)設(shè)備連接在風(fēng)機(jī)是箱變35 kV高壓側(cè)，風(fēng)機(jī)實(shí)際功率P>風(fēng)機(jī)額定功率Pn時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備模擬三相短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)線電壓跌落至額定電壓的20%，跌落持續(xù)時(shí)間0.625秒。圖4為某直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功功率恢復(fù)速率正常的波形曲線。測(cè)試中，風(fēng)機(jī)在大功率試驗(yàn)工況(>90%Pn)下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)線電壓跌落20%額定電壓，電壓恢復(fù)后風(fēng)電機(jī)組有功功率在1秒內(nèi)恢復(fù)。圖5為某雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率恢復(fù)速率正常的波形曲線。測(cè)試中，風(fēng)機(jī)在大功率試驗(yàn)工況(>90%Pn)下運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備模擬短路故障造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)線電壓跌落20%額定電壓，電壓恢復(fù)后有功功率在7秒內(nèi)恢復(fù)。圖4和圖5的試驗(yàn)測(cè)試均證明被測(cè)機(jī)組滿足國標(biāo)對(duì)有功恢復(fù)的要求，試驗(yàn)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(shí)刻開始10秒內(nèi)應(yīng)恢復(fù)至跌前水平。圖6為某雙饋風(fēng)電機(jī)組測(cè)試中有功恢復(fù)不滿足要求的。在酒泉地區(qū)某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越試驗(yàn)過程中，測(cè)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6在跌落后2秒恢復(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秒后有功仍未恢復(fù)。認(rèn)定該風(fēng)機(jī)不滿足有功恢復(fù)時(shí)間的要求，低電壓穿越性能不達(dá)標(biāo)。

2.2 變流器對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越影響分析

變流器是風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制的核心部件，它的控制特性直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)性能。不同廠商的產(chǎn)品，由于變流器軟件或硬件的差異，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越表現(xiàn)不同。例如：變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電流控制主算法、電壓跌落過程前后變流器是否可控以及變流器在電壓跌落期間的有功/無功控制模式等都是變流器性能的影響因素。

圖5和圖7分別是同一廠商的1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組采用不同型號(hào)的變流器在大功率(P>90%Pn)工況下三相電壓跌落至20%額定電壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果曲線。從兩個(gè)圖中可以看出，有功恢復(fù)曲線出現(xiàn)明顯不同，而且無功電流的大小以及相應(yīng)時(shí)間也不同。同樣是正常的恢復(fù)波形，變流器不同導(dǎo)致電壓跌落期間無功電流的注入和無功支撐能力表現(xiàn)會(huì)明顯不同[15]。

圖7 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試功率波形二(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/無功)

2.3 硬件問題對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越影響分析

根據(jù)不同LVRT控制策略，不同的廠家的風(fēng)電機(jī)組依據(jù)不同硬件電路來實(shí)現(xiàn)。以雙饋型風(fēng)電機(jī)組為例就有轉(zhuǎn)子側(cè)主動(dòng)crowbar保護(hù)電路、直流母排保護(hù)電路、被動(dòng)crowbar保護(hù)電路等。而第三種方式由于實(shí)際運(yùn)用效果不理想已被前兩種方式取代，或者采用與直流母排保護(hù)相組合的方式。如圖7所示，一種采用主動(dòng)crowbar保護(hù)電路的雙饋型風(fēng)電機(jī)組順利通過電壓跌落故障階段的測(cè)試曲線。進(jìn)行不論采取何種硬件電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，低電壓穿越測(cè)試中造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的硬件維護(hù)方面的問題并不在硬件保護(hù)電路本身，而是類似：UPS供電不足、傳感器數(shù)據(jù)丟失、滑環(huán)故障等。各風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)能力不足，導(dǎo)致測(cè)試中該問題多發(fā)。

圖8 低電壓穿越過程中風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)波形(三相跌落，20%Un，P>0.9 Pn，有功/無功)

圖8為實(shí)際測(cè)試中因硬件維護(hù)不到位出現(xiàn)的一次測(cè)試中風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。酒泉地區(qū)某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越試驗(yàn)過程中，測(cè)試大功率(P>90%Pn)工況時(shí)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，被測(cè)風(fēng)機(jī)變流器報(bào)“變流器母線電壓高故障”。測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)塔筒溫度達(dá)47.8 ℃，制動(dòng)電阻因連續(xù)兩次滿功率深度跌落后溫度會(huì)升高，制動(dòng)電阻溫度過高，使制動(dòng)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(cè)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。

3 結(jié)束語

綜上，風(fēng)電機(jī)組的硬件維護(hù)水平、主控制策略調(diào)整、軟件設(shè)置和控制版本升級(jí)是影響并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的主要因素。風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)機(jī)組由于具體的運(yùn)行歷史和維護(hù)情況不同，即使同一型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越期間也會(huì)表現(xiàn)出個(gè)體差異性。若電網(wǎng)擾動(dòng)劇烈，風(fēng)況引起振動(dòng)過大，大量風(fēng)電機(jī)組同時(shí)進(jìn)入低電壓穿越過程等情況發(fā)生時(shí)，同一型號(hào)風(fēng)機(jī)不同的個(gè)體可能會(huì)有不同的響應(yīng)情況。建議在硬件維護(hù)水平方面，應(yīng)提高風(fēng)電機(jī)組檢修維護(hù)水平，及時(shí)更換與低電壓穿越功能不協(xié)調(diào)的機(jī)組零部件。在主控與軟件設(shè)置方面，積極開展同一機(jī)型低電壓穿越能力主控和軟件設(shè)置一致性檢查，定期檢查風(fēng)機(jī)主控定值、變流器定值是否與低電壓穿越功能相匹配。并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)做好各項(xiàng)優(yōu)化，全面提升風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)能力。目前，檢測(cè)機(jī)構(gòu)已不再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)抽檢試驗(yàn)，但目前仍存在低電壓穿越能力不合格的情況下，需要推廣現(xiàn)場(chǎng)一致性評(píng)估技術(shù)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組缺陷并進(jìn)行改造，有效保證機(jī)組具備低穿能力。在條件具備時(shí)，開展機(jī)組高電壓穿越能力測(cè)試與評(píng)估技術(shù)的開發(fā)和利用，能夠切實(shí)保證風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的可靠性，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

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An Analysis of Typical Faults Found in the Test of A Wind Turbine with Low-voltage Ride-through

Zhao Wei1, Dong Kaisong2, Qin Rui1, Yang Jun1, Zhao Yao1, Zhang Guangru1, Zhu Hongyi1

(1.State Grid Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou Gansu 730050, China; 2.Gansu Provincial Society for Hydropower Engineering, Lanzhou Gansu 730050,China)

Along with continual growth of installed capacity of wind power generation in Northwest China, particularly in Gansu Province, the impact of large-scale wind power integration upon power grid is receiving more and more attention. Low voltage ride-through (LVRT) behavior is one of the key indices for the evaluation of wind turbine grid-integration characteristics. Since 2011, State Grid Northwest Branch and Gansu Power Dispatch and Control Center have jointly organized spot verification of the low voltage ride-through ability of wind power turbines at Jiuquan Ten Million kW wind power base, and completed site tests for 44 wind turbines at 33 wind farms. Through analysis and summary of off-network faults of the wind turbines during the test, we find main factors affecting LVRT, and expound these factors in detail under consideration of actual examples. At present, hardware maintenance level, main control strategy adjustment as well as software setting and version control remain to be main factors affecting LVRT ability of grid connected wind turbine.

wind power generation; low voltage ride-through(LVRT); wind turbine test; wind turbine fault; voltage drop

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.014

TM614

A

1000-3886(2017)04-0048-04

定稿日期: 2016-10-15

國網(wǎng)甘肅省電力公司基金項(xiàng)目：面向蘭州新區(qū)的區(qū)域能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用(522722150012)

趙煒(1981-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)及發(fā)電技術(shù)。