雙饋式風(fēng)電機組低電壓穿越能力檢測及分析

摘要：對風(fēng)電機組低電壓穿越(LVRT)能力的有效檢測，是防止大規模風(fēng)電機組從電網(wǎng)解列，保證電網(wǎng)安全穩定運行的前提。針對目前雙饋感應發(fā)電機組(DFIG)主要采用Crowbar電路來(lái)實(shí)現LVRT的解決方案，深入研究了該方案的檢測過(guò)程和參數設置，并基于對某風(fēng)電場(chǎng)DFIG LVRT能力的現場(chǎng)檢測，通過(guò)模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱(chēng)故障和兩相相間不對稱(chēng)故障，驗證了檢測過(guò)程和檢測結果的有效性。
關(guān)鍵詞：雙饋感應發(fā)電機；低電壓穿越；現場(chǎng)檢測

1 引言
近年來(lái)，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是風(fēng)力資源豐富的地區，風(fēng)電并網(wǎng)容量所占供電比重迅速上升，風(fēng)力發(fā)電的間隙性、隨機性和不可控性，將給地區電網(wǎng)穩定運行帶來(lái)隱患，特別是風(fēng)電機組是否具備LVRT能力，直接關(guān)系到大規模風(fēng)電機組從電網(wǎng)解列，可能造成電網(wǎng)電壓和頻率崩潰，嚴重威脅電網(wǎng)安全穩定運行。目前，國內外文獻對風(fēng)電機組LVRT的研究主要集中在功能特性、控制策略等方面，而對LVRT能力的檢測技術(shù)及檢測結果要求等方面研究甚少。雖然當前德國、丹麥等國家已制定了風(fēng)電并網(wǎng)導則，規定了LVRT的要求，但對具體的檢測技術(shù)及方法的闡述很少。
這里基于對某風(fēng)電場(chǎng)DFIG LVRT的現場(chǎng)實(shí)測，研究了其檢測技術(shù)及要求，并在不同風(fēng)況下模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱(chēng)故障和兩相相間不對稱(chēng)故障，深入分析了風(fēng)電機組LVRT測試結果。

2 LVRT標準及要求
風(fēng)電機組LVRT是指當電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落范圍內，風(fēng)電機組能保證不脫網(wǎng)連續運行。當前各國根據實(shí)際情況提出的LVRT要求不同，圖1為各國對風(fēng)電機組LVRT的標準要求。

德國、美國規定電網(wǎng)電壓跌落深度在15％以?xún)纫箫L(fēng)電機組不脫網(wǎng)運行，并能持續150 ms和625 ms，且要求在1．5 s和3 s后恢復至標稱(chēng)電壓的90％以上；中國、西班牙、丹麥規定電網(wǎng)電壓跌落深度在20％以?xún)纫箫L(fēng)電機組不脫網(wǎng)運行，能持續625 ms，500 ms和100 ms，并分別在2 s，1 s，750 ms后恢復至標稱(chēng)電壓的90％，80％，75％以上，只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規定曲線(xiàn)后才允許風(fēng)機脫網(wǎng)，當電壓跌落在凹陷部分內，還需向系統提供一定的無(wú)功支持。我國制定的風(fēng)電機組LVRT標準要求相對適中，同時(shí)對有功功率恢復做了規定，對電網(wǎng)故障期間沒(méi)有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應快速恢復，以至少10％Pn／s(Pn為額定功率)的功率變化率恢復至故障前的值。

3 DFIG LVRT檢測方法
3．1 LVRT的實(shí)現
目前應用較為成熟的方法是在轉子側加裝Crowbar電路，該方法簡(jiǎn)單有效、便于實(shí)現，且成本較低。Crowbar電路分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，由于被動(dòng)式電路不能在電網(wǎng)故障時(shí)提供電壓支撐，也不能在故障清除后立即恢復對電網(wǎng)供電，難以適應新的風(fēng)電并網(wǎng)規則要求，許多風(fēng)機制造廠(chǎng)家均采用可關(guān)斷器件構成的主動(dòng)式電路結構。
LVRT實(shí)現需風(fēng)機主控系統、變流器控制系統、風(fēng)力機槳距角控制系統間的協(xié)調配合控制，當電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)機機端電壓跌落，導致轉子側高電流超過(guò)設定值時(shí)，主控系統要求Crowbar電路投入，轉子側變流器退出，網(wǎng)側變流器正常并網(wǎng)運行，變流器控制系統執行命令；隨后風(fēng)力機槳距角控制系統啟動(dòng)，以減小捕風(fēng)能力及機械轉矩；故障清除后，主控系統命令Crowbar電路退出，轉子側變流器投入，系統恢復正常運行。目前，國內風(fēng)電場(chǎng)大多數風(fēng)電機組內的風(fēng)機、變流器、主控系統為不同制造商生產(chǎn)，需做到嚴密的配合控制，根據多次對風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機組LVRT檢測結果的分析，在風(fēng)電機組LVRT檢測時(shí)，引起風(fēng)機跳機的主要原因集中在控制的配合上，特別是Crowbar動(dòng)作時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的電流振蕩，不但會(huì )觸動(dòng)保護動(dòng)作引起跳機，同時(shí)也會(huì )影響齒輪箱、機械傳動(dòng)軸等機械部件的安全運行和壽命，故要求在控制配合方面做到嚴密的邏輯順序和規劃，從而減小電流振蕩。此外，主控系統與各控制系統間的握手信號、信息傳遞等可靠性也直接影響到風(fēng)電機組LVRT的可靠實(shí)現。
3．2 LVRT檢測方法
在德國、丹麥、西班牙等風(fēng)電較發(fā)達國家，對風(fēng)電機組LVRT檢測技術(shù)及裝置的研究已有一定基礎。而我國風(fēng)電正處于發(fā)展期，國家電網(wǎng)公司2009年頒布的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規定》明確了對風(fēng)電機組LVRT的要求，國家能源局也于2011年7月發(fā)布了《防止風(fēng)電大規模脫網(wǎng)重點(diǎn)措施》，對已并網(wǎng)運行的風(fēng)電場(chǎng)機組LVRT抽檢和新并網(wǎng)風(fēng)電機組LVRT檢測提出了強制性規定。目前，對風(fēng)電機組LVRT檢測主要通過(guò)阻抗分壓、變壓器、電力電子變換3種方式實(shí)現，其中電力電子變換方式由于IGBT，GTO等開(kāi)關(guān)器件容量的限制，仍停留在實(shí)驗室樣機研究階段，工程實(shí)踐應用主要采用阻抗分壓方式，包括固定式和移動(dòng)式兩種類(lèi)型。世界上首套35 kV／6 MVA晶閘管控制阻抗分壓式LVRT檢測裝置于2010年7月在中國國家風(fēng)電研究檢測中心某試驗基地研制成功，該裝置能有效模擬電網(wǎng)電壓跌落和恢復過(guò)程，并能模擬電網(wǎng)三相相間對稱(chēng)故障和兩相相間不對稱(chēng)故障。

移動(dòng)式LVRT檢測裝置主要針對風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)風(fēng)電機組檢測，采用斷路器控制阻抗分壓式結構，安裝于車(chē)載集裝箱內部。以35 kV電壓等級移動(dòng)式LVRT檢測裝置為例，圖2示出風(fēng)電機組LVRT檢測示意圖，檢測裝置串接于箱變的高壓側，通過(guò)控制斷路器接入限流電抗器Xsr和短路電抗器Xsc來(lái)實(shí)現箱變高壓側電壓跌落，跌落深度h取決于系統阻抗Xs及Xsr，Xsc及h計算式為：
h=Xsc／(Xs+Xsr+Xsc) (1)
可見(jiàn)，改變Xsr，Xsc可實(shí)現多種h組合，以有效補償不同風(fēng)電場(chǎng)及等效系統阻抗引起的跌落深度偏差，跌落持續時(shí)間通過(guò)控制Xsr，Xsc投入和切除時(shí)間獲得，相關(guān)標準規定檢測裝置跌落深度偏差為±5％，跌落時(shí)間、跌落持續時(shí)間、恢復時(shí)間的偏差為20 ms。

4 DFIG LVRT檢測結果分析
通過(guò)模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱(chēng)和兩相相間不對稱(chēng)故障，在95％Pn時(shí)對某風(fēng)電場(chǎng)DFIG LVRT進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)測，驗證了檢測過(guò)程和結果的有效性。被檢風(fēng)機額定容量1．5 MW，機端出口電壓690 V，風(fēng)機采用在轉子側裝Crowbar電路實(shí)現LVRT。如圖2所示，將35 kV移動(dòng)式LVRT檢測裝置串接入箱變的高壓側，通過(guò)空載試驗模擬電網(wǎng)電壓跌落深度20％，持續時(shí)間625 ms，以確定Xsr和Xsc。
圖3為模擬三相相間對稱(chēng)故障時(shí)的波形?？梢?jiàn)，電壓最大跌落幅度約23％，持續時(shí)間約620 ms，電壓跌落瞬間最大瞬時(shí)電流達運行電流的2．5倍，故障解除后電流恢復時(shí)間9．35 s，功率恢復速率約77 kW／s，即5．13％Pn／s。

圖4為模擬兩相相間短路故障時(shí)的波形?？梢?jiàn)，發(fā)生短路故障的兩相電壓跌落幅度51．2％，持續時(shí)間約622 ms，短路相最大瞬時(shí)電流達到運行電流的3．5倍，故障解除后電流恢復時(shí)間10．98 s，功率恢復速率4．36％Pn／s。

5 結論
這里在分析風(fēng)電機組低電壓穿越標準和檢測方法的基礎上，研究了其檢測過(guò)程，并基于現場(chǎng)實(shí)測，通過(guò)模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱(chēng)故障和兩相相間不對稱(chēng)故障，驗證了風(fēng)電機組低電壓穿越能力檢測過(guò)程和結果的有效性。