一、引言
隨著風電的快速發(fā)展，其所在電網(wǎng)中的比例不斷增大，風電逐漸成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。2011年，我國各地風電場連續(xù)發(fā)生多起風機脫網(wǎng)事故，數(shù)千臺的風機脫網(wǎng)使得電網(wǎng)面臨極大的考驗。國家電監(jiān)會在事故調(diào)査后認為，風電機組的脫網(wǎng)事故源于當前已經(jīng)投入運營的風電機組多數(shù)不具備低電壓穿越能力所致。低電壓穿越是指在風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)的恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而穿越這個低電壓時間（區(qū)域），它是對并網(wǎng)風機在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行功能要求，不同國家和地區(qū)的低電壓穿越要求不盡相同。我國的國家標準GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中對低壓穿越的基本要求為：
1、風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組應保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms；
2、風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組應保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。
風電能夠順利地并入電網(wǎng)，主要取決于電力系統(tǒng)對供電波動反映的能力。風電機組由于風的隨機性、運行時對無功只能就地平衡等原因?qū)⒔o電網(wǎng)帶來一定的影響。過去我國風力發(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，風電的接入一般不必考慮頻率穩(wěn)定性問題，當電力系統(tǒng)某處發(fā)生電壓暫降時風力發(fā)電機可以瞬間脫網(wǎng)進行自我保護。伴隨著風電的大規(guī)模開發(fā)，風電的電量所占電網(wǎng)供電的比例與日俱增，不得不考慮電網(wǎng)電壓暫降時風力發(fā)電機組脫網(wǎng)給電力系統(tǒng)所帶來的影響，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要風電機組具有低電壓穿越能力，以保證系統(tǒng)發(fā)生故障后機組的不間斷并網(wǎng)運行。在風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機保持電壓跌落會給電機帶來一系列暫態(tài)過程，如出現(xiàn)過電壓、過電流或轉速上升等，嚴重危害風機本身及其控制系統(tǒng)的安全運行，一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故 障，風機就實施被動式自我保護而立即解列，不考慮故障的持續(xù)時間和嚴重程度，以最大限度保障風機的安全，這在風電的電網(wǎng)穿透率較低時是可以接受的；然而，當風電在電網(wǎng)中占有較大比重時，若風機在電壓跌落時仍采取被動保護式解列，則會增加整個系統(tǒng)的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統(tǒng)其它機組全部解列，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 (尤其是不對稱故障）的過渡過程中，電機電磁轉矩會出現(xiàn)較大的波動，對風機齒輪箱等機械部件構成沖擊，影響風機的運行和壽命；在定子電壓跌落時，電機輸出功率降低，若不對功率進行控制，必然導致電機轉速上升，在風速較高、機械動力轉矩較大的情況下，即使故障切除，也難較快抑制電機轉速的快速上升，吸收的無功功率增大，定子端的電壓下降， 進一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復，嚴重時可能導致電網(wǎng)電壓無法恢復，從而使系統(tǒng)崩潰，這種情況與電機慣性、額定值以及故障持續(xù)時間有關。因此，風電機組具備低電壓穿越能力是風電大規(guī)模開發(fā)的必然要求。
二、風電機組的低壓穿越技術方案
1、實現(xiàn)LVRT功能的三種主要方案
雙饋感應風力發(fā)電機組（DFIG）實現(xiàn)LVRT功能主要有三種方案：
（1）采用轉子短路保護技術
這是目前采用得較多的方法，基本方式是在發(fā)電機轉子側裝有CROWBAR電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時投入轉子回路的旁路（釋能電阻）保護裝置，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行（此時雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行）。
（2）在雙饋感應發(fā)電機定子側與電網(wǎng)間串聯(lián)可控硅電路
在正常運行時，這些可控硅全部導通。當電網(wǎng)電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉子側所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發(fā)電機通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)，脫網(wǎng)以后，轉子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應發(fā)電機，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應發(fā)電機便能迅速地與電網(wǎng)達到同步，再通過開通可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接，這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求；對于短時間內(nèi)能夠接受大電流的IGBT模塊，可以減少雙饋感應發(fā)電機的脫網(wǎng)運行時間。轉子側大功率饋入直流側會導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴于直流側電容的大小，因此需要在直流側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)的成本和控制的復雜性�？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關斷，這要求很大的門極負驅(qū)動電流，驅(qū)動電路太復雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型IGBT的話，IGBT必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型IGBT的話，通態(tài)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長，而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機脫網(wǎng)運行，因此對電網(wǎng)恢復正常運行起不到積極的支持作用。
（3）采用合理的勵磁控制算法
通過改進控制策略在電壓和電流之間得到一定的平衡，在兩個值都不過高的情況下由系統(tǒng)本身吸收這部分能量，適合于電壓輕度驟降的場合，對電壓嚴重跌落的場合，則需增加硬件輔助電路來完成。
2、PMSG實現(xiàn)LVRT功能的主要措施
（1）選擇耐壓和過流值比較大的電力電子器件；
（2）增加輔助網(wǎng)側變流器；
（3）在DC-LINK上接儲能系統(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)直流母線電壓，把輸入和輸出不平衡的能量轉化為發(fā)電機的動能，提高低電壓穿越能力。
對于恒速恒頻直接并網(wǎng)的風電機組，采用無功補償方案來實現(xiàn)LVRT功能，通過加裝靜態(tài)無功補償裝置 SVG或者靜態(tài)同步補償器STACOM來調(diào)節(jié)電壓，可以滿足并網(wǎng)標準對風電場LVRT功能的要求。
三、不同機型的低電壓穿越功能改造案例
目前在運行的風力發(fā)電機組主要包括雙饋式機組和直驅(qū)式機組及早期的恒速恒頻異步發(fā)電機。
1、雙饋感應風力發(fā)電機組的低電壓穿越改造
SINOVEL公司通過采用220VAC UPS穩(wěn)壓電源使得在電網(wǎng)電壓下降時，主回路各接觸器反饋正常，保持機組與電網(wǎng)連接，采用主動式CROWBAR，釋放轉子側較大電流，同時，以恒電壓的方式通過轉子側變頻器向電網(wǎng)輸送無功使電網(wǎng)電壓提升，在參數(shù)允許的范圍內(nèi)實現(xiàn)低電壓穿越；當變流器檢測到電網(wǎng)電壓跌落到90%以下時，變流器和主控進入低電壓穿越狀態(tài)，在主動CROWBAR觸發(fā)之前，變流器仍然可以接收、執(zhí)行主控發(fā)送的有功和無功功率給定值；當主動CROWBAR觸發(fā)之后，變流器不發(fā)送功率。暫態(tài)過程結束后，變流器執(zhí)行主控發(fā)送的給定值。變流器的參數(shù)設定包括低電壓保護參數(shù)、功率變化率、機組自啟動條件和頻率保護參數(shù)。
2、直驅(qū)風力發(fā)電機組的低電壓穿越改造
MW級以上的直驅(qū)風力發(fā)電機組，其固有的全功率變流器把發(fā)電機和電網(wǎng)隔離，通過調(diào)整變流器的控制策略可以方便地實現(xiàn)低電壓穿越功能；當電網(wǎng)發(fā)生故障時，變流器首先檢測到并網(wǎng)點的電壓降，變流器控制發(fā)電機運轉并給直流電容充電，當直流電壓達到一定值時，直流電容上的放電電阻被觸發(fā)，能量通過制動電阻泄放，直到直流電壓恢復正常，如果低電壓持續(xù)時間超過變頻器設定的保護參數(shù)，風電機組脫網(wǎng)。低電壓穿越的整個過程是可控的，且電網(wǎng)側變流器能持續(xù)發(fā)出無功電流，支持電網(wǎng)電壓的恢復。
而針對MW級以下的風電機組實現(xiàn)低電壓穿越功能，GOLDWIND提供低電壓穿越設備，加裝該設備可以實現(xiàn)對早期風電機組的低壓穿越改造。通過采用一套反并聯(lián)晶閘管與一套背靠背變流器并聯(lián)組成的設備來完成。
當系統(tǒng)電壓正常時，反并聯(lián)晶閘管導通，能量從晶閘管回路送入電網(wǎng)；當裝置檢測到系統(tǒng)電壓低于90%后，立刻進入低電壓穿越狀態(tài)，20ms內(nèi)反并聯(lián)晶閘管退出運行，同時變流器串聯(lián)進入主回路開始工作；在網(wǎng)側，變流器根據(jù)電壓跌落情況向電網(wǎng)提供無功支撐電網(wǎng)，由于網(wǎng)側電壓低，導致變流器的直流電壓被抬高，當直流電壓達到上限時，放電電阻啟動，能量通過直流放電電阻被泄放掉。如果系統(tǒng)故障2s內(nèi)解除，變流器將退出運行，反并聯(lián)晶閘管重新導通，將變流器“短路”，風機恢復正常的向電網(wǎng)送電狀態(tài)；如果2s內(nèi)故障沒有解除，極端電壓繼續(xù)在90%以下，風機退出運行。
3、異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越改造
MITA公司的LVRT解決方案，可將風機與電網(wǎng)隔離開來，在風機端保持恒定的電壓，其分流注入方案能夠讓風機可承受較大的電壓跌落。
低電壓穿越系統(tǒng)為一個單獨的控制柜，位于風機底部，連接風機和電網(wǎng)。當電壓跌落發(fā)生時，消耗所發(fā)電量，防止風機跳閘，保護風機免受強大的機械震動，將風機重新聯(lián)網(wǎng)，繼續(xù)發(fā)電，其容性無功注入方案可以使得電網(wǎng)電壓快速恢復平穩(wěn)。
四、風電場的改造方案
通過在風電場加裝附屬設備，使并網(wǎng)點電壓的大幅跌落轉變?yōu)轱L機端電壓的小幅跌落，從而實現(xiàn)風電機組的低壓穿越功能。目前通常采用的方式包括：
1、在升壓站并聯(lián)動態(tài)無功補償設備，在故障期間快速注入無功電流支撐并網(wǎng)點電壓，降低風電機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化為三相平衡跌落，提高風電場的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。
2、在升壓站串聯(lián)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器DVR，可以對電網(wǎng)電壓持續(xù)實時監(jiān)控，每相電壓跌落時間檢測小于1ms，有利于變流器網(wǎng)側電流的快速恢復及直流環(huán)節(jié)的穩(wěn)定。
3、在升壓站安裝可控串補TCSC，通過調(diào)節(jié)自身觸發(fā)角快速改變自身阻抗及在靠近諧振點時阻抗呈現(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)制動電阻SDBR。
5、安裝快速儲能裝置。
五、結束語
本文通過對風電機組低電壓穿越功能的介紹，比較了不同機型的改造方式。低壓穿越作為并網(wǎng)風電機組的一項基本功能，今后仍將面臨現(xiàn)場運行的考驗，通過檢測認證，嚴格把關，對已投運的機組逐步改造，使風電機組真正具備電網(wǎng)友好特征，從而更好地提高風電的開發(fā)利用效率，漸而實現(xiàn)風電的大規(guī)模應用。
