风电机组低电压穿越能力测试中的风机故障

赵炜，赵耀，杨俊，秦睿，董开松，郑翔宇

（甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730050）

随着风电在我国电力生产中所占的比例越来越大，大规模风电并网对电网的影响日益受到重视。从图1可以看出，在2009-2011年间我国的风电装机容量以每年近40%的速度增加，截至2012年12月，我国新增安装风电机组7 872台，装机容量12 960 MW；累计安装风电机组53 764台，装机容量75 324.2 MW，累计装机容量同比增长20.8%[1]。

图1 2001-2012年中国新增及累计风电装机容量（来源：中国风能协会CWEA）Fig.1 China’s newly installed newly installed and accumulative wind power capacity in 2011-2012（Source:China Wind Energy Association CWEA）

在风电装机容量迅速增长的同时，我国风电并网标准制定相对滞后，初期建成并网的风电场设备质量参差不齐，大多数风电机组不具备低电压穿越能力（Low Voltage Ride-Through，LVRT），这就成为2011年多起风电机组集中脱网事故的主因[2-4]。低电压穿越能力代表风电场对事故的反应能力，是指当电力系统发生事故或扰动而引起并网点电压跌落时，在指定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组/风电场能够保证不脱网连续运行[5]，风电机组的低电压穿越能力是风电场具备低电压穿越能力的基础和必要条件。为了确认风电场是否具备低电压穿越能力，从2011年底开始，全国风电装机较多的省份陆续开始了风电机组的低电压穿越能力现场检测，通过检测进行风电场涉网安全性整改和隐患治理工作。以甘肃酒泉风电基地为例，通过测试发现了风电机组在低电压穿越方面的技术缺陷并提供给风电场及风机制造商进行有的放矢的改进，促进了设备整改，经过整改酒泉地区电网安全稳定运行水平得到了明显提高，未再发生风机大规模脱网事件。本文就低电压穿越试验及试验中发现的问题进行总结归纳。

1 风电机组低电压穿越能力测试

1.1 风电场低电压穿越能力要求分析

风电机组的低电压穿越测试主要依据的标准是《GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定》和《IEC 61400—21:2008 Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines》。国标中对风电场（风电机组）低电压穿越的要求如图2所示。具体要求可以归纳为4点[5]：

1）当风电场的并网点电压跌落至20%的标准电压时，风电机组应该能够不脱网并且持续运行0.625 s，并且在发生跌落后2 s内其并网点电压能够恢复到标准电压的90%。

2）风电场的并网点的电压跌落的故障类型包括：三相短路故障（如图3）、两相短路故障（如图4）和单相接地故障。

3）从故障消除时起，风电机组的有功功率应该能够快速恢复到故障前的值，确保其速度为每秒10%的额定功率。

图3 LVRT试验测试中，风机中压侧三相电压跌落波形Fig.3 Thethree-phasevoltagedrop waveform at themedium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

图4 LVRT试验测试中，风机中压侧两相电压跌落波形Fig.4 The two-phase voltage drop waveform at the medium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

4）针对风电场动态的无功支撑能力的规定：装机容量在百万千瓦级规模以上的风电场群，低电压穿越过程中应该具有动态无功的支撑能力。具体要求见国标GB/T 19963—2011中9.4款[5]。

1.2 风电场低电压穿越能力测试方法

风电场低电压穿越能力测试的目的就是采用适当的试验方法，验证风电场是否具有以上4个方面的低电压穿越能力。

目前并网运行的风电场一般容量都在50 MW以上，大规模的风电场装机可达300 MW以上；接入电压都在110 kV以上。以现有技术水平，尚无法精确检测风电场的低电压穿越能力，目前较为通行的方法是通过单台风电机组的低电压穿越试验验证风电场的低电压穿越能力。由于目前风电机组大多数采用三角形接法并网，电网的单相接地故障和两项短路故障在风电机组箱变低压侧都反映为两项短路故障，因此只测试风电机组三相短路（对称跌落）和两相短路故障（不对称跌落）时的低电压穿越能力。图5是目前较为普遍采用的阻抗分压式低电压穿越测试装置，测试基本过程就是利用该装置，在风电机组并网点（一般是风机箱变高压侧，也称为风电场中压侧）按照标准要求产生实际的对称或不对称电压跌落，采集被测风电机组的响应情况，以此作为判断风电机组的低电压穿越能力的依据。

图5 阻抗分式测试设备原理图Fig.5 Schematic of impedance fractional test equipment

测试过程按照国标（GB/T 19963—2011）和IEC标准（IEC 61400—21：2008）[6]的规定，对每台机组在大功率（P>90%Pn）和小功率（10%Pn＜p＜30%Pn）工况下、分别进行三相及两相电压跌落测试，跌落深度为20%Ur，检测验证风电机组是否具备低电压穿越能力。受检机组连续两次均穿越成功方可认为通过，若有一次穿越失败即认为性能未达标。

图4所示是试验设备连接在风机是箱变35 kV高压侧，风机实际功率P＞风机额定功率Pn时，试验设备模拟三相短路故障造成风机并网点线电压跌落至额定电压的20%，跌落持续时间0.625 s。

图5所示是试验设备连接在风机是箱变35 kV高压侧，风机实际功率P＞风机额定功率Pn时，试验设备模拟两相短路故障造成风机并网点两相线电压跌落至额定电压的20%，跌落持续时间0.625 s。

图6所示是风电机组低电压穿越测试中，风机在大功率试验工况（>90%Pn）下运行时，试验设备模拟短路故障造成风机并网点线电压跌落20%，电压恢复后，风电机组有功功率在1 s内恢复。

图6 LVRT试验测试中，中压侧有功功率和无功功率波形1Fig.6 The active and reactive power waveform 1 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

图7 所示是风电机组的低电压穿越实际测试中，风机在大功率试验工况（>90%Pn）下运行时，试验设备模拟短路故障造成风机并网点线电压跌落20%，电压恢复后，有功功率在7 s内恢复。图5和图6的试验测试均证明被测机组满足国标对有功恢复的要求，试验风机的额定功率为1 500 kW，按照标准从故障清除的时刻开始10 s内应恢复至跌前水平。

图7 LVRT试验测试中，中压侧有功功率和无功功率波形2Fig.7 The active and reactive power waveform 2 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

2 测试中的风机故障

针对风电机组低电压穿越能力的测试是对其整体低电压穿越性能的测试，机组与电网电压跌落有关的任何一方面不满足要求，都有可能造成其在电压跌落期间脱网。目前认为与风电机组低电压穿越性能有密切关系的机组部件主要有3大类，即机组的主控系统、变流器、变桨系统等主要部件。这几类部件是风机的主要部件，由于这些部件造成风电机组低电压穿越期间脱网可以认为是机组的性能不满足要求。除此3类部件之外，机组其他非关键性零部件发生故障或失效也有可能造成风电机组在低电压穿越期间脱网，以下分别介绍测试过程中出现的这两类原因造成的风电机组脱网案例。

2.1 风机性能不满足要求

1）案例1 低电压穿越过程中风电机组脱网

在酒泉地区某风场进行风电机组的低电压穿越试验过程中，测试大功率（P>90%Pn）工况时风机脱网，被测风机变流器报“变流器母线电压高故障”。测试波形图如图8所示，图中P为有功功率，Q为无功功率，曲线按照标幺值绘制。由此，可认定该机型（含被测风机变流器、主控系统、变桨系统等）低电压穿越性能不满足要求。后经查明，测试时塔筒温度达47.8℃，制动电阻因连续两次满功率深度跌落后温度会升高，制动电阻温度过高，使制动效率下降，导致出线直流母线过电压故障。风机制造商根据测试数据及风机内故障录波数据进行了分析，提出了解决方案。

图8 低电压穿越过程中风电机组脱网波形Fig.8 The wind turbine generator off-grid waveform in the LVRRT process

2）案例2 有功恢复不满足要求

在酒泉地区某风场进行风电机组的低电压穿越试验过程中，测试大功率（P>90%Pn）工况，风机在电压跌落后有功开始恢复，如图9在跌落后2 s恢复至跌前水平，但随后有功功率又开始下降直至电压跌落10 s后有功仍未恢复。认定该风机不满足有功恢复时间的要求，低电压穿越性能不达标。

图9 低电压穿越过程中有功恢复不满足要求波形Fig.9 The waveform of the active power recovery which fails to meet the requirements in the LVRRT process

2.2 风机非关键零部件故障造成低电压穿越能力不达标

低电压穿越测试中风机零部件（不包括主控系统、变频器、变桨系统等主要部件）出现意外故障也会导致测试过程中风机脱网[7-8]。

1）案例3 风电场一，双馈型风电机组在低电压穿越过程中脱网

测试过程中机组脱网原因：UPS充电不完全，不足以维持低电压穿越过程中风机与电网的连接。

被测风机在并网调试阶段没有严格核查UPS电源是否工作正常即投入并网运行。该型号风机在低电压穿越功能改造时，采用AC220 V UPS稳压电源使得再电网电压下降时，主回路各接触器保持正常反馈信号，使风机与电网保持连接。采用主动式Crowbar承受转子侧大电流。通过转子侧变频器的无功输出使网侧电压提升，从而实现低电压穿越的功能。可见，应要求UPS电源在低电压穿越过程中可靠稳定供电。

2）案例4 风电场二，双馈型风电机组在低电压穿越过程中脱网

测试过程中，风机报“变桨自主运行”，被测风机停机。经检查，停机因风机通讯滑环故障引起。

该机型发生故障的滑环位于轮毂和机舱的结合处，主要是为变桨系统提供动力电源以及保持主控和变桨系统的实时通讯。通过机械式滑针与滑道接触，滑针在旋转的滑环上滑动，并在其旋转过程中保持不间断接触。要实现电气信号实时无误地传输，静止的滑针和旋转的滑环之间是金属滑动接触，长久运行会产生磨损，磨损产生的碎末和氧化物附着在滑道和滑针针头表面，导致滑针与滑环接触不良的现象。如果风机定期检查维护不到位，在风机运行中，尤其是高转速和转速来回波动大的情况时极易发生信号丢失，导致风机故障停机。

3）案例5 风电场三，双馈型风电机组在低电压穿越过程中脱网

测试中机组报“齿轮箱高速轴超速”故障停机。

该故障为控制系统软件超速保护，齿轮箱高速轴超速故障属于主控系统告警信号，主控系统通过高速轴测速探头实时检测风力发电机组在运行过程中齿轮箱高速轴的转速，提供风机超速保护的功能。造成该风机脱网的原因可能是在电压跌落过程中由于风速极端不稳定，上下波动很大；加上穿越过程中受到强烈震动造成测试传感器数据丢失而引起。

由此可见，低电压穿越功能不仅仅是主控和变频器的技术改造，同时对风机的各相关部件制造水平和定期检查维护也提出了更高的要求。

4）案例6 风电场四，双馈型风电机组在低电压穿越过程中脱网

低穿试验中机组故障原因：机组报“齿轮箱轴承温度过高”故障停机。经检查后，风机齿轮箱PT100温度传感器中的热敏电阻接线松动，导致传感器误报。

3 结论及建议

3.1 通过分析低电压穿越测试中风机发生的故障得出的结论

1）决定单台风电机组低电压穿越能力的因素不仅与风电机组的变流器、主控系统、变桨系统等部件有关，还与机组的其他零部件有关。

2）机组其它零部件不发生故障或失效，变流器、主控系统、变桨系统等相同的风电机组在低电压穿越期间的表现应相同，但现场实测结果表明通过模型试验后机组的有关设备与向现场提供的有较大差异；所以确保产品的同一性和针对这些主要部件开展的现场低电压穿越检测具有实际意义与作用。

3.2 依据已有测试提出的相关建议

1）风电场每台机组由于具体的运行历史和维护工作不同，变流器、主控系统、变桨系统等一些设计上的缺陷可能会暴露出来，也有可能不被暴露；因此即便是同一型号的风电机组也在低电压穿越期间表现出个体差异性，若发生区域电网扰动，电压跌落程度较深，大量风电机组同时进入低电压穿越过程时，同一型号的不同风机个体可能会有不同的响应情况。因此，必须结合风机在全国各地应用的情况，针对不同地区的特殊要求进行优化设计，使其满足当地电网的需要。

2）变流器、主控系统、变桨系统等满足低电压穿越要求的风电机组，也有可能因其他非关键性零部件造成低电压穿越期间的脱网故障，这些部件的发生故障或失效的原因有可能是制造厂家在设计中没有考虑风电机组低电压穿越要求，也有可能是由于风电场业主日常的维护不到位而导致的偶发性故障。因此建议制造厂家应该将低电压穿越能力的要求在风电机组设计中贯穿始终，对每个部件的设计都要考虑机组在低电压穿越过程中的特殊要求。同时风电机组低电压穿越能力的提高也要求风电场业主提高机组的运行和维护水平，加强部件保养。

3）国标（GB/T 19963—2011）仅要求百万千瓦级的风电场在低穿期间具备无功支撑能力，对风电机组低穿期间的无功特性未作明确规定，对于风电场集群的无功特性也未作明确规定。建议尽快评估目前各类无功补偿方式的效果，完善风电场在低穿期间提供无功支撑能力的标准，确保电力系统的电能质量满足规范要求，因此为推动技术进步和产业升级，开展参数实测与建模仿真的工作已刻不容缓。

[1]中国风能协会.2012年中国风电装机容量[EB/OL].（2013-03-13）.http://www.cwea.org.cn/upload/20130313001.pdf．

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[5] 中国国家标准化管理委员会.（GB/T 19963-2011）风电场接入电力系统技术规定[S].北京：中国标准出版社，2012．

[6] 徐学涛，李伟，林勇刚．提高风力机组可靠性方法研究[J].机电工程，2009，26（11）：1-4．XV Xue-tao，LI Wei，LIN Yong-gang.Method study on reliability improvement of wind turbine[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine，2009，26（11）：1-4（in Chinese）．

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