风电机组LVRT技术分析

林资旭，黄炜煌，许洪华，吴瑊

（1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中央民族大学附属中学，北京 100081）

LVRT是指当电网发生三相（或单相、两相）电压短时跌落或短路故障时，风电场具备在规定的时间内保持风电机组不脱网运行的能力。大范围风电机组脱网后可能导致电力系统局部潮流突变、系统频率波动、电网电压升高或降低，从而使得故障电网更加恶化，甚至可能引起大面积停电故障，严重时威胁电力系统的稳定运行。

目前开展了LVRT相关技术和产品的研发工作，以期实现电网故障时，风电机组能够保持并网连接到达规定时间，同时还要求能够在故障穿越时具备动态无功支撑能力，支持电网恢复和保持电压稳定。

1 风电机组LVRT技术

当今市场上典型的并网型风电机组技术可分为3类，对应的风电机组有着不同的控制特性和LVRT技术。

1.1 失速型风电机组

失速型风电机组通常采用鼠笼异步发电机作为机械能转换为电能的单元，发电机定子与电网直接相连。该类风电机组只能在异步发电机转速转矩特性规定的一个很窄的范围内变速运行。由于该类发电机定子直接与电网相连，没有电力电子设备作为控制单元，且该类风电机组多没有变桨机构进行功率调节，因此当电网跌落时，会引起定子电流严重过流，且由于能量没有回馈通道，导致机组过速保护。

通常失速型风电机组低电压穿越方案有以下几种：1）图1所示的全功率变流器FC串联方案。采用全功率变流器串联在电网与发电机组之间，将发电机定子与电网隔离，通过全功率变流器实现低电压穿越功能。该种方案由于采用串联型式，首先会造成机组在正常运行时效率较低，而且成本较高，控制较为复杂。2）图2所示为DVR方案，该方案可以通过动态电压补偿实现定子侧电压稳定，但DVR无功支撑能力较弱，成本较高。3）图3所示为STATCOM方案，该方案可以完美解决无功支撑能力，但由于采用并联型式，对电机定子电流及转矩暂态控制能力较弱，适合加在风场级，不适合单台风力应用。

图1 全功率变流器方案FCFig.1 Full power converter formula

图2 DVR方案Fig.2 DVR formula

图3 Statcom方案Fig.3 Statcom formula

为解决以上问题，本文提出了一种新的设计方案，如图4所示，当电网电压正常时，由AC-Switch开关将发电机定子与电网连接，机组发出的电量直接回馈电网。AC-Switch采用电力电子快速开关，能够在2 ms内将发电机定子侧与电网脱开，避免由于磁链暂态引起定子过流。

图4 失速型风电机组低电压穿越方案Fig.4 Stall WT LVRT formula

网侧变流器和机侧变流器组成的背靠背变流器，其作用类似于UPS。电网电压正常时，变流器不工作。当电网电压跌落时，AC-Switch将定子与电网脱开，变流器向发电机定子提供稳定的电网电压，风电机组输出的能量通过机侧变流器回馈至直流侧，一部分通过网侧变流器回馈电网，多余的能量通过直流侧Chopper电阻消耗掉。网侧变流器可以向电网提供动态无功支撑，支持电网电压恢复。

该方法是在电网电压故障时为风电机组提供不间断电源，因此不但对电网跌落有效，对电网电压升高以及频率变化等其他故障一样具有穿越能力。同时不需要风电机组主控等做任何更改，可以方便地实现其低电压穿越改造。

1.2 双馈型风电机组LVRT技术

双馈型风电机组发电机定子侧直接并网，发电机转子侧通过交-直-交变流器与电网相连。同失速型风电机组一样，当电网电压跌落时，由于磁链不能突变，会导致定子侧及转子侧过流、过压。由于转子侧所连接变流器容量有限，为实现穿越功能，双馈变流器需增加Crowbar电路及Chopper电路，如图5所示。

图5 双馈机组LVRT技术Fig.5 DFIG LVRT technolyg

穿越期间，Chopper电路可将变流器直流母线稳定控制在安全可靠的范围内，Crowbar电路保护变流器转子模块不受暂态冲击的影响。当转子电流及定子电流暂态减少到变流器能承受的范围内，切除Crowbar电路，由变流器控制发电机向电网输送无功电流，以支撑电网电压恢复。

常见的Crowbar回路有以下2种：IGBT型和晶闸管型。如图6、图7所示。

图6 IGBT型CrowbarFig.6 IGBT type Crowbar

图7 晶闸管型CrowbarFig.7 Thyristor type crowbar

采用图6所示IGBT型拓扑结构的Crowbar电路，其开通、关断速度完全可控，影响速度迅速，能够实现在电网跌落后快速发无功功率的要求。对于图7所示晶闸管的模式，成本较低，且晶闸管耐压、耐流能力较强，但由于晶闸管为半控型器件，关断时间较长，Crowbar回路电阻投入时间不完全受控，实时性较差。

1.3 全功率型风电机组变流器技术

全功率变流器是指应用在全功率风电机组的变流器单元。全功率风电机组主要包括直驱、半直驱、高速永磁、电励磁等风电机组。图8所示风电机组全功率变流器也分为电网侧变流器与电机侧变流器。电机侧变流器接受发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网。

图8 全功率型风电机组整体结构图Fig.8 Full power WT structure

在低电压穿越时，全功率风电机组只有变流器的电网侧部分与电网相连。此时由于电网侧电压的跌落，在维持机组输出能量不变的情况（减少机组振动）下，电网侧变流器不能将能量全部回馈至电网，多余能量聚集在变流器直流侧，直流侧功率发生不平衡，此时投入直流侧卸荷电路，消耗掉直流侧多余的能量，使风电机组与故障电网基本隔离。低电压穿越期间风力机和发电机可以保持正常运行，即变流器输入功率在电压跌落期间基本不变，由直流保护电路实现直流侧的功率平衡，维持直流侧电压稳定。电网侧变流器向电网提供无功电流以支持电网电压恢复。

2 LVRT技术验证

本文针对LVRT技术较为复杂的失速型风电机组和双馈型风电机组分别进行了实验验证，实验及认证波形如图9和图10所示。

由图9可知，在电网电压发生跌落时，变流器快速地实现发电机定子与电网的脱开且为发电机定子提供不间断的电源，实现风电机组的LVRT。图10为1.5 MW双馈型风电机组的零电压穿越认证波形，图10中采用标幺值的表示方法，电网电压基准690 V，电流基准1250 A，功率基准1500 kW。

图9 失速型风电机组LVRT实验波形Fig.9 Test waves of stall WT LVRT

图10 双馈型风电机组两相零电压LVRT认证波形Fig.10 LVRT certification waveforms in two phase zero voltage

3 结论

本文重点分析了当今市场上主流的3种机型不同的LVRT技术。其中失速型机组，可通过本文所列的技术方案实现低电压穿越改造技术。全功率型风电机组由于实现了发电机与电网的隔离，相对于双馈型风电机组而言，LVRT实现较为容易。对于电网而言，整个风电场最终并网点电压的稳定是控制的关键，因此关于风场级的LVRT技术仍是今后一段时间关注的重点。

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