風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越改造

       一、引言
       隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，其所在電網(wǎng)中的比例不斷增大，風(fēng)電逐漸成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。2011年，我國(guó)各地風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)發(fā)生多起風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，數(shù)千臺(tái)的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)使得電網(wǎng)面臨極大的考驗(yàn)。國(guó)家電監(jiān)會(huì)在事故調(diào)査后認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)事故源于當(dāng)前已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電機(jī)組多數(shù)不具備低電壓穿越能力所致。低電壓穿越是指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)的恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而穿越這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域），它是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求，不同國(guó)家和地區(qū)的低電壓穿越要求不盡相同。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)低壓穿越的基本要求為：
       1、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms；
       2、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。
       風(fēng)電能夠順利地并入電網(wǎng)，主要取決于電力系統(tǒng)對(duì)供電波動(dòng)反映的能力。風(fēng)電機(jī)組由于風(fēng)的隨機(jī)性、運(yùn)行時(shí)對(duì)無(wú)功只能就地平衡等原因?qū)⒔o電網(wǎng)帶來(lái)一定的影響。過(guò)去我國(guó)風(fēng)力發(fā)電所占電力系統(tǒng)供電的比例不大，電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電的接入一般不必考慮頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，當(dāng)電力系統(tǒng)某處發(fā)生電壓暫降時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以瞬間脫網(wǎng)進(jìn)行自我保護(hù)。伴隨著風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，風(fēng)電的電量所占電網(wǎng)供電的比例與日俱增，不得不考慮電網(wǎng)電壓暫降時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)給電力系統(tǒng)所帶來(lái)的影響，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，以保證系統(tǒng)發(fā)生故障后機(jī)組的不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)保持電壓跌落會(huì)給電機(jī)帶來(lái)一系列暫態(tài)過(guò)程，如出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流或轉(zhuǎn)速上升等，嚴(yán)重危害風(fēng)機(jī)本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故 障，風(fēng)機(jī)就實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而立即解列，不考慮故障的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度，以最大限度保障風(fēng)機(jī)的安全，這在風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率較低時(shí)是可以接受的；然而，當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中占有較大比重時(shí)，若風(fēng)機(jī)在電壓跌落時(shí)仍采取被動(dòng)保護(hù)式解列，則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其它機(jī)組全部解列，因此必須采取有效的措施，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定。電網(wǎng)發(fā)生故障 (尤其是不對(duì)稱(chēng)故障）的過(guò)渡過(guò)程中，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱等機(jī)械部件構(gòu)成沖擊，影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和壽命；在定子電壓跌落時(shí)，電機(jī)輸出功率降低，若不對(duì)功率進(jìn)行控制，必然導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，在風(fēng)速較高、機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)矩較大的情況下，即使故障切除，也難較快抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速上升，吸收的無(wú)功功率增大，定子端的電壓下降， 進(jìn)一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓無(wú)法恢復(fù)，從而使系統(tǒng)崩潰，這種情況與電機(jī)慣性、額定值以及故障持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此，風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力是風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)的必然要求。
       二、風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越技術(shù)方案
       1、實(shí)現(xiàn)LVRT功能的三種主要方案
       雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（DFIG）實(shí)現(xiàn)LVRT功能主要有三種方案：
       （1）采用轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)
       這是目前采用得較多的方法，基本方式是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝有CROWBAR電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路的旁路（釋能電阻）保護(hù)裝置，達(dá)到限制通過(guò)勵(lì)磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓的作用，以此來(lái)維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行（此時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行）。
       （2）在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)可控硅電路
       在正常運(yùn)行時(shí)，這些可控硅全部導(dǎo)通。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時(shí)，為了避免電壓回升時(shí)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過(guò)反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)，脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器重新勵(lì)磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)便能迅速地與電網(wǎng)達(dá)到同步，再通過(guò)開(kāi)通可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接，這樣可以減小對(duì)IGBT耐壓、耐流的要求；對(duì)于短時(shí)間內(nèi)能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級(jí)依賴(lài)于直流側(cè)電容的大小，因此需要在直流側(cè)安裝電阻把電壓限制在允許范圍內(nèi)。這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性。考慮到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過(guò)門(mén)極關(guān)斷，這要求很大的門(mén)極負(fù)驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型IGBT的話(huà)，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話(huà)，通態(tài)損耗會(huì)很大。理論上，如果利用接觸器來(lái)代替可控硅開(kāi)關(guān)的話(huà)，雖通態(tài)時(shí)無(wú)損耗，但斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間太長(zhǎng)，而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行，因此對(duì)電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行起不到積極的支持作用。
       （3）采用合理的勵(lì)磁控制算法
       通過(guò)改進(jìn)控制策略在電壓和電流之間得到一定的平衡，在兩個(gè)值都不過(guò)高的情況下由系統(tǒng)本身吸收這部分能量，適合于電壓輕度驟降的場(chǎng)合，對(duì)電壓嚴(yán)重跌落的場(chǎng)合，則需增加硬件輔助電路來(lái)完成。
       2、PMSG實(shí)現(xiàn)LVRT功能的主要措施
       （1）選擇耐壓和過(guò)流值比較大的電力電子器件；
       （2）增加輔助網(wǎng)側(cè)變流器；
       （3）在DC-LINK上接儲(chǔ)能系統(tǒng)或BUCK變換器；
       （4）改善并網(wǎng)變流器的控制策略，調(diào)整控制軟件參數(shù)調(diào)節(jié)直流母線(xiàn)電壓，把輸入和輸出不平衡的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的動(dòng)能，提高低電壓穿越能力。
       對(duì)于恒速恒頻直接并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組，采用無(wú)功補(bǔ)償方案來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT功能，通過(guò)加裝靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置 SVG或者靜態(tài)同步補(bǔ)償器STACOM來(lái)調(diào)節(jié)電壓，可以滿(mǎn)足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LVRT功能的要求。
       三、不同機(jī)型的低電壓穿越功能改造案例
       目前在運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括雙饋式機(jī)組和直驅(qū)式機(jī)組及早期的恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)。
       1、雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越改造
       SINOVEL公司通過(guò)采用220VAC UPS穩(wěn)壓電源使得在電網(wǎng)電壓下降時(shí)，主回路各接觸器反饋正常，保持機(jī)組與電網(wǎng)連接，采用主動(dòng)式CROWBAR，釋放轉(zhuǎn)子側(cè)較大電流，同時(shí)，以恒電壓的方式通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器向電網(wǎng)輸送無(wú)功使電網(wǎng)電壓提升，在參數(shù)允許的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越；當(dāng)變流器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落到90%以下時(shí)，變流器和主控進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，在主動(dòng)CROWBAR觸發(fā)之前，變流器仍然可以接收、執(zhí)行主控發(fā)送的有功和無(wú)功功率給定值；當(dāng)主動(dòng)CROWBAR觸發(fā)之后，變流器不發(fā)送功率。暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，變流器執(zhí)行主控發(fā)送的給定值。變流器的參數(shù)設(shè)定包括低電壓保護(hù)參數(shù)、功率變化率、機(jī)組自啟動(dòng)條件和頻率保護(hù)參數(shù)。
       2、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越改造
       MW級(jí)以上的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其固有的全功率變流器把發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)隔離，通過(guò)調(diào)整變流器的控制策略可以方便地實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，變流器首先檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)的電壓降，變流器控制發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并給直流電容充電，當(dāng)直流電壓達(dá)到一定值時(shí)，直流電容上的放電電阻被觸發(fā)，能量通過(guò)制動(dòng)電阻泄放，直到直流電壓恢復(fù)正常，如果低電壓持續(xù)時(shí)間超過(guò)變頻器設(shè)定的保護(hù)參數(shù)，風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。低電壓穿越的整個(gè)過(guò)程是可控的，且電網(wǎng)側(cè)變流器能持續(xù)發(fā)出無(wú)功電流，支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。
       而針對(duì)MW級(jí)以下的風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，GOLDWIND提供低電壓穿越設(shè)備，加裝該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)早期風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越改造。通過(guò)采用一套反并聯(lián)晶閘管與一套背靠背變流器并聯(lián)組成的設(shè)備來(lái)完成。
       當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時(shí)，反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通，能量從晶閘管回路送入電網(wǎng)；當(dāng)裝置檢測(cè)到系統(tǒng)電壓低于90%后，立刻進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，20ms內(nèi)反并聯(lián)晶閘管退出運(yùn)行，同時(shí)變流器串聯(lián)進(jìn)入主回路開(kāi)始工作；在網(wǎng)側(cè)，變流器根據(jù)電壓跌落情況向電網(wǎng)提供無(wú)功支撐電網(wǎng)，由于網(wǎng)側(cè)電壓低，導(dǎo)致變流器的直流電壓被抬高，當(dāng)直流電壓達(dá)到上限時(shí)，放電電阻啟動(dòng)，能量通過(guò)直流放電電阻被泄放掉。如果系統(tǒng)故障2s內(nèi)解除，變流器將退出運(yùn)行，反并聯(lián)晶閘管重新導(dǎo)通，將變流器“短路”，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常的向電網(wǎng)送電狀態(tài)；如果2s內(nèi)故障沒(méi)有解除，極端電壓繼續(xù)在90%以下，風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行。
       3、異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越改造
       MITA公司的LVRT解決方案，可將風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái)，在風(fēng)機(jī)端保持恒定的電壓，其分流注入方案能夠讓風(fēng)機(jī)可承受較大的電壓跌落。
       低電壓穿越系統(tǒng)為一個(gè)單獨(dú)的控制柜，位于風(fēng)機(jī)底部，連接風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)。當(dāng)電壓跌落發(fā)生時(shí)，消耗所發(fā)電量，防止風(fēng)機(jī)跳閘，保護(hù)風(fēng)機(jī)免受強(qiáng)大的機(jī)械震動(dòng)，將風(fēng)機(jī)重新聯(lián)網(wǎng)，繼續(xù)發(fā)電，其容性無(wú)功注入方案可以使得電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)平穩(wěn)。
       四、風(fēng)電場(chǎng)的改造方案
       通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)加裝附屬設(shè)備，使并網(wǎng)點(diǎn)電壓的大幅跌落轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)端電壓的小幅跌落，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越功能。目前通常采用的方式包括：
       1、在升壓站并聯(lián)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，在故障期間快速注入無(wú)功電流支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，降低風(fēng)電機(jī)組出口處的電壓跌落幅度，并可以將變頻器很難處理的單相不平衡跌落轉(zhuǎn)化為三相平衡跌落，提高風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。
       2、在升壓站串聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器DVR，可以對(duì)電網(wǎng)電壓持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，每相電壓跌落時(shí)間檢測(cè)小于1ms，有利于變流器網(wǎng)側(cè)電流的快速恢復(fù)及直流環(huán)節(jié)的穩(wěn)定。
       3、在升壓站安裝可控串補(bǔ)TCSC，通過(guò)調(diào)節(jié)自身觸發(fā)角快速改變自身阻抗及在靠近諧振點(diǎn)時(shí)阻抗呈現(xiàn)較大值的特性，可以有效地限制故障電流。
       4、在升壓站安裝串聯(lián)制動(dòng)電阻SDBR。
       5、安裝快速儲(chǔ)能裝置。
       五、結(jié)束語(yǔ)
       本文通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能的介紹，比較了不同機(jī)型的改造方式。低壓穿越作為并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的一項(xiàng)基本功能，今后仍將面臨現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的考驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)認(rèn)證，嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)已投運(yùn)的機(jī)組逐步改造，使風(fēng)電機(jī)組真正具備電網(wǎng)友好特征，從而更好地提高風(fēng)電的開(kāi)發(fā)利用效率，漸而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用。