风电机组低电压穿越测试相关技术研究

2013-03-25李胜辉宋保泉

东北电力技术 2013年1期

高凯，李胜辉，黄旭，朱钰，宋保泉

(1．辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110006;2．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)

2011年，西北地区发生了多起由于风电机组缺乏低电压穿越能力而造成的风电场大规模脱网事故。国家电网公司明确要求并网的风电机组必须具备低电压穿越能力，因此需要对风电机组进行低电压穿越测试［1－2］。

1 低电压穿越测试

低电压穿越测试分为低电压穿越能力认证测试与低电压穿越能力抽检测试。前者是对风电机组制造厂家生产出来的某种机型做的型式试验，为了验证风电机组制造厂家生产出来的风电机组是否具备低电压穿越能力。后者是在风电场的风电机组已经具备低电压穿越认证合格报告的基础上，对风电机组进行抽样试验。因为影响风电机组的低电压穿越特性有很多，如变频器、变桨系统、主控系统、撬棒电路 (crowbar)等，其中任意一项改变都可能影响风电机组的低电压穿越特性，而且风电机组具有离散性，所以对风电场的风电机组进行低电压穿越能力抽检测试十分必要［1］。

1.1 低电压穿越测试内容

根据GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》的要求，风电机组在风电场并网点电压发生跌落在低电压穿越要求曲线上方时，风电机组应保证不脱网连续运行，图1给出了低电压穿越要求曲线。

图1 低压侧低电压穿越要求

风电机组的低电压穿越能力认证测试必须由具备机关CNAS资质的单位进行测试，目前中国电科院和辽宁电科院先后获得了该CNAS资质。我国风电机组的低电压穿越能力认证测试内容如下:在大功率输出 (P≥90%)和小功率输出 (10%≤P≤30%)2种工况下，对待测风电机组电压跌落到90%、75%、50%、35%、20%时进行低电压穿越能力验证，每种情况连续做2次。对于低电压穿越能力抽检测试，只测试2种工况下电压跌落到20%时风电机组的低电压穿越能力。表1和表2给出了不同电压跌落对应的时间和国家标准中不同故障类型考核电压的内容。

表1 不同电压跌落对应的跌落时间

表2 风电场低电压穿越考核电压

图2 低压侧低电压穿越测试原理图

1.2 低电压穿越测试原理

根据IEC 61400－21(Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines)要求，电压跌落应该由阻抗分压的形式产生。串联阻抗可以限制短路电流对电网的冲击影响，并且串联阻抗大小对风机没有很明显的暂态响应。在电压跌落之前和之后，串联阻抗可以连接一个旁路开关，电压跌落依靠并联阻抗连接的短路开关产生。

目前，世界上有2种低电压穿越测试设备，一种是中压侧低电压穿越测试设备，另一种是低压侧低电压穿越测试设备。这2种设备的基本原理相同，而且均在国外相关认证部门得到了认证，无论哪种设备都是对并网点电压跌落的等效，在测试效果上基本没有区别。图2给出了低压侧低电压穿越测试设备的原理图。

2 低电压穿越测试中相关参数的选择

2.1 短路容量的选择

我国相关标准中均未给出短路容量限定值。国外风电发展较快的国家对低电压穿越测试时短路容量都有明确的要求，要求短路容量是风机容量的3倍或3倍以上，有的国外检测认证机构建议选到5～10倍。辽宁电科院曾对国内外的风电机组做过不同短路容量下的低电压穿越测试，测试结果显示在相同工况、相同电压跌落的情况下，短路容量越大，风电机组越容易实现低电压穿越。

根据IEC 61400－21中的规定，低电压穿越产生装置中的串联阻抗起限流作用，并且要求串联阻抗大小对风电机组没有很明显的暂态响应。短路容量与串联阻抗呈现反比例关系，短路容量越大，串联阻抗越小;反之亦然。当串联阻抗选择过大时，就会影响风电机组的暂态响应，从而导致低电压穿越失败。根据实际测试经验，当短路容量设定为2倍以下、电压跌落至50%以下时，风电机组的低电压穿越能力往往受串联阻抗影响比较大，出现切机的现象。在相同工况、相同电压跌落的情况下，将短路容量设定为3倍以上后，被测风电机组低电压穿越均可成功。

2.2 抽检测试中跌落电压的选择

根据国家电网公司出台的低电压穿越能力抽检管理办法，每个并网的风电场要进行风电机组的低电压穿越抽检测试，每种机型抽选1台进行测试，只测试2种工况下电压跌落至20%时的低电压穿越情况。根据已有的测试经验，抽检只测电压跌落至20%不能全面反映风电机组的低电压穿越特性。有的风电机组在电压跌落至20%通过而在测试电压跌落至90%时失败，原因是由于电压跌落至90%临界值时，风电机组的控制算法不够准确导致穿越失败;还有的风电机组在电压跌落至50%和35%时，在低电压穿越结束后，由于风电机组本身原因再次产生低电压穿越。

由于目前具备低电压穿越检测设备和检测能力的单位不多，低电压穿越测试的周期也不好确定(需要在有功功率大于90%时进行测试)，故以现行的低电压穿越能力抽检管理办法完成我国低电压穿越测试工作将是一个长期的过程。风电机组具备低电压穿越能力是保证电网安全运行的必要前提，现行的低电压穿越能力抽检管理办法只是一个过渡，以后更规范的低电压穿越能力抽检管理办法将应用到风力发电管理中。

2.3 转子短路保护技术

目前一些风电制造商采用较多的方法是在发电机转子侧装有crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路 (释能电阻)保护装置，达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，来维持发电机不脱网运行 (此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行)［2－3］。

目前比较典型的crowbar电路有如下几种。

混合桥型crowbar电路，如图3所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

图3 混合桥型crowbar

可控硅型crowbar电路，如图4所示，每个桥臂由2个二极管串联，直流侧串入1个可控硅和1个吸收电阻。

图4 可控硅型crowbar

为更好地降低变流器直流侧电压，在直流侧并接制动单元和制动电阻来消耗充电电容的电压，可有效防止直流侧过压，如图5所示。

图5 直流侧带有制动单元的低压穿越电路

保护电路有自身的缺点，如电网故障时，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功率，将导致电网电压稳定性进一步下降，而且一般的crowbar保护电路的操作会对系统产生暂态冲击。crowbar触发以后，按照感应电动机来运行，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。

一般crowbar是通过可控硅控制导通、在电网出现故障、机端电压瞬低时，为保护风机转子，防止过流过压，主控系统通过电流信号触发可控硅导通，短接双馈风机转子，这时绕线式双馈异步风机变成鼠笼式电机，能达到防止转子过流过压的作用，同时也能防止直流母线过压。但是可控硅可以控制其导通，不能控制其关断，因此一旦可控硅导通，就会将直流母线电压释放为0，此时变流器并不工作，因此目前很多变流器厂家使用了一种可以控制其导通，也可以控制其关断的crowbar回路，国内称为有源 crowbar，国外称为 active crowbar。有源crowbar构成有多种，其中一种是多组IGBT+电阻串联后再并联的方式。由于IGBT可以由门极电压信号来控制其开通关断，通过控制IGBT的导通和关断的时序时间，就可以实现直流母线电压稳定和发电机转子不过压过流，使发电机和电网保护连接 (见图6)，同时附加设备动态支撑电压并改进功率控制策略实现短时电压跌落穿越功能。这些策略包括电压跌落检测技术、无功电流注入技术、无功电流分配控制技术、最大有功功率控制技术、双环叠控技术、矢量Id和Iq可变控制技术、电压恢复分段检测技术和电压不平衡补偿控制技术等。

图6 有源crowbar

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。

2.4 低电压穿越的有功功率恢复速度

目前，我国最新标准GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》只对风电场有故障消除后有功功率恢复速度有要求，对于单台风电机组没有明确的规定。借鉴国外的低电压穿越测试方法，国内的研究机构可将此要求由风电场推广到风电机组。对于单台风电机组有利于风电场输出功率的恢复。根据实际测试结果，风电机组有功功率恢复大致可以分为2类，第一类是按照一定速率恢复有功功率，如图7所示;第二类是瞬间恢复有功功率，如图8所示。

通过现场测试发现，对于单台风电机组，瞬间恢复有功功率比按照一定速率恢复有功功率好，因为有功功率的瞬间恢复有助于风电机组完成低电压穿越过程。同时，有些变流器厂家并不能实时监控crowbar电路的储能情况，就会造成在连续穿越测试时，crowbar电路由于储能过大而损坏，因此变流器的软件监控应该进一步改进。同时主控变桨系统与变流器的配合尤为重要，既要满足功率恢复速度，也要防止过快恢复给机组带来的暂态冲击，功率恢复过慢在大风速下有风轮超速的危险，容易造成切机，而为了防止风轮超速，变桨系统也会同时动作，使得功率恢复更加难以达到标准要求。

3 风电机组低电压穿越能力管理

风电机组低电压穿越测试是针对某一种机型(固定厂家和型号的变流器、主控系统等相关部件)的测试。风电机组任意部件的更换或参数的更改，都可能影响其低电压穿越能力，严重的可能完全失去低电压穿越能力。

风电机组的性能随着科技发展不断提高，而风电机组部件和参数设定暴露出来的问题也日趋显现，这意味着风电机组的一些部件或主控、变流器的版本要进行升级。从目前国内进行的低电压穿越能力认证测试，绝大部分厂家都是边改程序边做认证，技术人员在修改参数时只简单地考虑了低电压穿越测试时参数的配置，忽略了参数对风电机组其它运行特性的影响。有的甚至在升级风电机组部件或主控、变流器的版本时，做了影响风电机组低电压穿越能力的改动。

该问题需要发电企业配合电网公司共同解决，否则进行的低电压穿越测试，无论是认证测试还是抽检测试都会失去意义。发电企业应该对低电压穿越抽检后，对进行调整的风电机组做详细记录，然后上报调度部门，由调度部门审查是否有重新做低电压穿越抽检测试的必要。如没有由科研单位出具分析报告，需要对风电场的风电机组重新进行低电压穿越抽检测试。调度部门应对已经做过低电压穿越抽检测试的风电场进行备案，记录其相关配置与参数，并制定定期核查计划。