关于风力发电机组实现低电压穿越策略分析

关于风力发电机组实现低电压穿越策略分析内容摘要：根据电网公司要求，为了保障电网稳定，需要并入电网的风力发电机组必须具备低电压穿越功能。

由于现在风机厂家繁多，采用的设备杂乱，所以为已并网的不具备低电压穿越功能的风机改造工作带来了很多不便。

所以主要就我公司采用的上海电气sec-1250机型针对低电压穿越改造工作进行分析，从而得到风力发电机组实现低电压穿越功能策略思路。

关键词：风力发电机低电压穿越双频异步发电机 crowbar
1、低电压穿越问题的提出（仅针对类似上海电气sec-1250变速恒频双馈异步发电机讨论、其他类型风机原理相似）
对于双馈风力发电机，在电网电压跌落的情况下，由于与其配套的变流设备属于ac/dc/ac型（如上图），容易在其转子侧产生峰值涌流，损坏变流设备，导致风力发电机组与电网解列。

在以前风力发电机容量较小的时候，为了保护转子侧的励磁装置，就采取与电网解列的方式，但目前风力发电的容量都很大，与电网解列后会影响整个电网的稳定性，甚至会产生连锁故障最终导致电网崩溃。

于是，根据这种情况，国外的专家就提出了风力发电低电压穿越（lvrt）的问题，其含义为：
1）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；
2）风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%
时，风电场必须保持并网运行；
3）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

2、lvrt概念的解释及其参考标准
当电网发生故障时，风电场需维持一段时间与电网连接而不解列，甚至要求风电场在这一过程中能够提供无功以支持电网电压的恢复即低电压穿越（lvrt）。

目前对于风力发电低电压运行标准，主要以德国e.onnetz公司提出的为参考。

双馈风力发电机由于其自身机构特点，实现lvrt 存在以下几方面的难点：
1)确保故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压都在系统可承受范围之内;
2)所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性;
3)控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性;
4)工程应用中须在实现目标的前提下尽量少地增加成本。

3、电网电压跌落后dfig（double fed induction generator）运行的暂态过程分析
在电网电压跌落情况下，风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。

这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量，由于积分
量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。

如果电网出现的是不对称故障的话，会使转子过压与过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。

过流会损坏转子励磁变流器，而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。

4、关于crowbar 部分
croebar主要是由触发板、晶闸管、电流监视元件组成。

由于并网行双馈异步发电机的定子绕组连接在电网上，在运行过程中，由于各种原因引起的电网电压波动，跌落甚至短路故障都会影响发电机的不间断运行，通常采用在双馈异步发电机转自侧安装crowbar电路。

出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。

采用的crowbar电路如下：
励磁变流器在电网故障期间，与电网和转子绕组一直保持连接，因而在故障期间和故障切除期间，双馈感应发电机都能与电网一起同步运行。

当电网故障消除时，关断功率开关，便可将旁路电阻切除，双馈感应发电机转入正常运行。

直流侧过电压保护流程：
出现过电压故障→转子回路中出现反向过电压→启动crowbar
雪崩二极管→击穿雪崩二极管→合入碳化硅非线性灭磁电阻
从上面可以看出来，无论是灭磁过程还是过电压保护过程，定子的端电压都是会发生突然性的跌落，这时候会在转子绕组中出现暂态的磁链直流和交流分量，直流分量会在很短的时间内进行衰变（因为转子回路中电缆和转子本身存在电阻），但是交流分量由于转子回路中的容性和感性元件的存在，导致衰变缓慢。

另外就转子过电流分析，当控制系统检测到转子过流后，首先关闭网侧的igbt，开启crowbar→转子电流开始衰变，输出有功p减少，但是此时却要从电网吸收大量的无功→转子电流缓慢的衰变→一定程度时crowbar关闭→转子侧igbt重新工作→风机开始自动调整。

采用 crowbar 电路的转子短路保护技术存在这样一些缺点：首先，需要增加新的保护装置从而增加了系统成本；另外，电网故障时，虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的 crowbar 保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。

因此，在风控系统中提出了改进方案：在转子短路保护电阻切除后，将转子电流控制指令设定为该时刻转子电流的实际值，从而防止由于转子电流控制器指令电流与实际电流不等而引起的暂态
冲击。

然后通过逐渐改变转子电流指令，实现转子电流控制器的软起动。

在转子电流控制器的作用下发电机将逐步恢复到正常运行。

这缓解了crowbar保护电路的投切操作对系统产生的暂态冲击，在一定程度上缩短了发电机低电压穿越的过渡时间。

5、利用新型旁路系统的解决方法
需要改动控制系统，变流器和变桨系统。

我国的标准将是20%电压，625ms，接近awea的标准。

针对不同的发电机类型有不同的实现方法，crowbar触发以后，按照感应电动机来运行，这个只能保证发电机不脱网，而不能向电网提供无功，支撑电网电压。

当然这种改动需要变频设备增加一部分可调容量，类似上海电气1250机型选用森瑞克斯1250容量的变频器，就不适用这种方式，改进的方法只有更换大容量的变频器元件。

另外，控制系统要嵌入动态电压暂降补偿器，当有暂降时瞬时将电压补偿上去，先保住控制系统不跳。

而采用新型旁路系统就是在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。

在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率igbt 器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。

电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。

因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。

脱网以后转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感
应发电机便能迅速地与电网达到同步。

再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。

这样可以减小对igbt耐压、耐流的要求。

对于短时间内能够接受大电流的igbt模块，可以减少双馈感应发电机的脱网运行时间。

转子侧大功率馈入直流侧会导致直流侧电容电压的升高，而直流侧的耐压等级依赖于直流侧电容的大小，因此直流侧设计crowbar电路，在直流侧安装电阻来作吸收电路，将直流侧电压限制在允许范围内。

6、增加低电压穿越功能后机组实验实例（实验风机东汽1500机型，低电压安装策略为增加旁路系统和无功功率补偿装置）1）1450 转、450kw 工况下 3相对称跌落实验结果：
根据变流器出口电网电压、电流信息，根据 iec 给出的公式用matlab 进行处理后得到的电网电压有效值、电网电流有效值、正序基波有功功率、正序基波无功功率、正序基波有功电流、正序基波无功电流见下图
2）1610 转、600kw 工况下 2相对称跌落实验结果：
根据变流器出口电网电压、电流信息，根据 iec 给出的公式用matlab 进行处理后得到的电网电压有效值、电网电流有效值、正序基波有功功率、正序基波无功功率、正序基波有功电流、正序基波无功电流见下图
7、风电机组单纯低电压穿越与动态无功补偿装置svg配合满足
电压跌落实现低电压穿越功能
低电压穿越功能改造的造价应该是在运风场最关心的问题，所以如何在保证稳定行的基础上提高经济性也是我们考虑的一个方向。

就现在风电场采用的无功补偿装置主要有svc，主要还是以可控硅代替原始接触器，实质还是利用电容进行无功补偿，反应速度慢，且还消耗有功，而国外新的无功补偿装置svg可以用于系统的快速无功补偿，且补偿精度高，对电网无冲击等优点。

如果能将风机在脱网时所需要的无功需求指令同时发送到35kv的svg上，利用svg快速无功补偿与风机无功补偿相配合的策略，我想可能会将风电场的稳定性提高到一个新的标准上。

低电压穿越功能的实现，不应仅仅以地区电网为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,依据不同的风电场接入方案计算风电机组lvrt能力的电压限值,对风电机组进行合理的 lvrt能力设计。

这不仅仅是只从单台风机进行考虑，而是必须通过地区电网整体进行。

8、结论
本文通过对低电压穿越的实施策略进行了研究分析，得出了以下几点结论，为实际应用中做设计参考。

1）对于风力发电在电力系统的容量比例越来越大，风机实现低电压穿越是必然趋势。

电网电压跌落时，对风机的变流系统、中控系统、驱动链、变桨系统均会产生严重影响。

故障下一般需要使用crowbar这种短接保护措施来保护发电机和变流器。

但仍需考虑成
本，可靠性和可能达到的最佳性能指标，工作极端环境适应性等，不断进行比较改进，优选出最佳方案，减小电压跌落情况下触发crowbar电路时转子暂态电流跳变幅度。

2）考虑到并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。

电网电压跌落后可能需要风电场提供无功支持，传统意义上的无功补偿不能满足快速响应，导致滞后投无功，引起电网的电压不断升高，造成电网电压高使风机再度产生脱网的风险，形成恶性循环。

因此，风电机组的低电压穿越，仍需进一步的研究。

参考文献
《上海电气sec-1250风机设计原理说明书》
作者：上海电气有限公司
《金风科技低电压穿越资料》作者：金风科技有限公司
《对东汽风机低电压穿越实验的报告书》
作者：深圳市禾望电气有限公司研发部
《svg动态无功补偿说明书》作者：思源清能电气电子有限公司
作者简介：
杜强汉36岁硕士研究生中广核风力发电有限公司生产工程师主要从事风电运维管理及技术改造工作
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。