唐保國

（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

隨著風電裝機在發(fā)電總裝機中所占比例的不斷增大，風電機組的運行對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不容忽視。我國風電大多采用集中接入的方式，當電網(wǎng)因故障導致并網(wǎng)點電壓跌落時，一旦風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)可能造成系統(tǒng)電壓和頻率的崩潰，成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的巨大隱患。因此，大規(guī)模集中接入電網(wǎng)的風電機組必須具有低電壓穿越能力，只有當電網(wǎng)電壓跌落低于標準規(guī)定的曲線以后才允許風電機組脫網(wǎng)。

目前，山西省已進入風電大省的行列，截止2017年底，山西電網(wǎng)總裝機80 693.777 MW，已投產(chǎn)風電場89座，總裝機8 906.8 MW，占比13.36%，包括永磁直驅(qū)型、雙饋異步型、高滑差單速異步型和異步型4種風機類型。因此，開展風電機組低電壓穿越的仿真研究對電網(wǎng)運行等具有重要的意義。

1 風電系統(tǒng)低電壓穿越的相關(guān)規(guī)定

低電壓穿越 LVRT（low voltage ride through）是指風機并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落時，風機連續(xù)并網(wǎng)運行，甚至向電網(wǎng)供給部分無功功率和電壓支撐，直到電網(wǎng)恢復，從而“穿越”整個低電壓區(qū)段的時間。對于風電機組這種特定的運行功能，《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T 19963—2011中規(guī)定了我國風電機組的低電壓穿越運行曲線，如圖1所示，它是本文研究低電壓穿越技術(shù)的主要技術(shù)依據(jù)。

圖1 《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定的風電機組低電壓穿越運行曲線

《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T 19963—2011的具體要求如下。

a） 風電場公共連接點PCC（point of common connection） 處電壓跌落到20%標稱電壓時，風電機組應具有連續(xù)運行不脫網(wǎng)625 ms的能力。

b） 風電場PCC處電壓在發(fā)生跌落之后的2 s內(nèi)能夠恢復到90%標稱電壓時，風電機組能夠保證連續(xù)運行不脫網(wǎng)。

風電場低電壓考核的故障類型以三相短路、兩相短路和單相接地短路為主要故障，風電場PCC處線電壓為考核電壓。當系統(tǒng)發(fā)生以上非對稱故障時，如風電機組PCC處電壓全部在圖1中電壓曲線及以上區(qū)域時，風電機組必須保證連續(xù)運行不脫網(wǎng)，其他區(qū)域允許風電機組切出。

2 低電壓穿越測試裝置的原理及分類

為了提高我國風電機組并網(wǎng)運行檢測能力，榮信股份、中電普瑞和北京博電等設備生產(chǎn)廠家先后推出了移動式低電壓穿越檢測設備。目前，低電壓穿越測試裝置原理一般有3類，即：阻抗分壓型式、變壓器型式和電力電子變換型式。

基于阻抗分壓的低電壓穿越試驗裝置，通過在主電路中并聯(lián)或串聯(lián)電阻/電抗實現(xiàn)電壓跌落。圖2為低電壓穿越測試裝置的電路原理，根據(jù)原理又可分為串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗方式。

圖2 串/并聯(lián)阻抗型式的低電壓穿越試驗裝置原理圖

并聯(lián)阻抗型試驗裝置通過阻抗Z1、阻抗Z2和負載的合理匹配使電壓達到某一幅度的跌落，即接通斷路器DL將阻抗Z2接入，產(chǎn)生電壓跌落；斷開斷路器DL隔離阻抗Z2，則電壓恢復正常。

串聯(lián)阻抗型試驗裝置，通過與阻抗并聯(lián)的斷路器來實現(xiàn)電壓的跌落和恢復。斷路器分斷時，產(chǎn)生電壓跌落；接通時，電壓恢復正常。

基于阻抗型式的低電壓穿越試驗裝置，如果其串并聯(lián)阻抗連續(xù)可調(diào)，則可以得到不同的電壓跌落深度。圖2中的斷路器可以是晶閘管或者其他具有分合能力的設備，目前采用雙向晶閘管的阻抗型式低電壓穿越試驗裝置是研究熱點，國內(nèi)已有類似產(chǎn)品進行了現(xiàn)場測試。本文在建立風電機組模型基礎上，結(jié)合IEC61400—21推薦的阻抗分壓形式（圖2中并聯(lián)阻抗方式） 對相間和三相短路進行了低電壓穿越功能的仿真研究。

3 永磁直驅(qū)型風機低電壓穿越仿真研究

3.1 永磁直驅(qū)型風機

風能被風輪機轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動永磁發(fā)電機生產(chǎn)出電能，電能通過全功率變流器轉(zhuǎn)變后輸送到電網(wǎng)。永磁直驅(qū)型風機由于定子經(jīng)變流器連接電網(wǎng)，與電網(wǎng)解耦，因此電網(wǎng)電壓的跌落不會對發(fā)電機有大的影響，但仍會影響到網(wǎng)側(cè)變流器的運行，這就要求網(wǎng)側(cè)變流器能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越。

3.2 永磁直驅(qū)型風機低電壓穿越仿真

永磁直驅(qū)型風電機組的定子經(jīng)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的變流器與電網(wǎng)相連，風電機組與電網(wǎng)沒有直接耦合關(guān)系，其低電壓穿越仿真系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 永磁直驅(qū)型風機低電壓穿越仿真系統(tǒng)

故障時刻為3 s，故障時間625 ms，仿真系統(tǒng)中未加裝低電壓穿越保護電路。三相和相間故障時，按照20%Un設定電壓跌落定值。其仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 永磁直驅(qū)型風機三相短路低電壓穿越仿真結(jié)果

圖5 永磁直驅(qū)型風機A、B相間低電壓穿越仿真結(jié)果

4 雙饋風機低電壓穿越仿真研究

4.1 雙饋異步風電機組

雙饋異步風力發(fā)電機采用繞線式異步發(fā)電機，定子繞組直接接至電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過交直交系統(tǒng)接至電網(wǎng)。當雙饋發(fā)電機的負載以及轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過饋入轉(zhuǎn)子繞組電流的控制，使定子輸出的電壓和頻率維持不變，而且對雙饋發(fā)電機的功率因數(shù)也能起到調(diào)節(jié)作用。

4.2 雙饋異步風電機組低電壓穿越仿真

雙饋異步風電機組的定子與電網(wǎng)直接耦合，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)不直接相連。這種模式在電網(wǎng)電壓跌落情況下，定子、轉(zhuǎn)子之間的不同步變化，使得機組的控制策略變得更為重要。控制策略的偏差會增加無功功率的吸收，最終導致定子電壓下降而使得電網(wǎng)電壓難以正常恢復。雙饋異步風電機組低電壓穿越仿真系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 雙饋異步風電機組低電壓穿越仿真系統(tǒng)

故障時刻為3 s，故障時間625 ms，仿真中未加裝Crowbar保護電路。三相和相間故障時，電壓按照20%Un設定跌落定值。其仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 雙饋風機三相短路低電壓穿越仿真結(jié)果

圖8 雙饋風機AB相間短路低電壓穿越仿真結(jié)果

5 結(jié)論

風電機組低電壓穿越仿真研究中建立了過/低電壓保護、過/欠頻保護模塊，其定值為110%Un/20%Un、55 Hz/45 Hz，在故障量超過定值時，瞬時從電網(wǎng)中切出風電機組。仿真研究中控制策略為恒功率因數(shù)模式，未考慮風速變化等情況。

a)永磁直驅(qū)風電機組因機組與電網(wǎng)解耦，在電壓跌落至20%Un，會導致有功功率的輸出減少，同時永磁直驅(qū)風電機組可提供一定的無功功率，而且機組不間斷運行。因此對于永磁直驅(qū)風電機組本身具有一定的低電壓穿越能力，但也會受到變流器等設備的限制。

b)從雙饋風電機組低電壓穿越仿真（未投入Crowbar保護）可以看出，在嚴重故障時，電壓跌落瞬間，雙饋機組發(fā)出無功功率；故障時間加長，將導致雙饋機組發(fā)出無功減少，在故障切除瞬間，雙饋機組將吸收較大的無功功率，將會導致系統(tǒng)恢復時間的加長。

c)永磁直驅(qū)風電機組在電網(wǎng)電壓降落會對網(wǎng)側(cè)變流器的運行產(chǎn)生一定影響，因此提高網(wǎng)側(cè)變流器的過流和耐壓值、直流電容的額定電壓即可實現(xiàn)LVRT；雙饋風電機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電壓跌落時會因容量小而受到制約，增大轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流容量，既可快速恢復定子和電網(wǎng)之間有功、無功功率的交換，也會對電網(wǎng)電壓的快速恢復有一定的幫助。