一种风电机组的低压穿越改造装置研究

张凤莲，李淑琴

（1.四川建筑职业技术学院，四川德阳618000；2.浙江海得新能源有限公司，浙江桐乡314500）

1 引言

近年来，由于风电自身的波动性，在大规模风电机组并网时，容易对电网稳定性造成冲击。对此，电网运营商通过制定并网导则，对并网风电机组的输出特性提出了严格要求，要求风电机组具备低压穿越能力，即风电机组在电网电压跌落等电网故障下，保持一定时间的不脱网运行，并提供一定无功功率来支撑电网电压。通过成熟的电力电子控制技术，能够很好地实现以上功能［1］。本文介绍了一种结合快速关断晶闸管与IGBT整流-逆变器的低压穿越改造方案，该方案脱离了主控和变浆，是针对老机组快速升级的有效解决方案。

2 低压穿越改造方法工作原理

现在针对变速型风电机组，主流的低压穿越改造方法是对电控系统进行升级改造，包括对主控系统、变桨系统和变流器的升级改造。对于国内一定存量较早安装的机组，由于技术的快速发展，已很难找到相关厂商进行升级改造，或者厂商在国内的备件和服务等不能满足风电机组技改需求，在这些情况下，实施电控系统的升级改造变得很困难。而整体更换电控系统，代价过大。

采用图1所示的低压穿越控制设备接入到电网与机组之间，则是一个简捷可靠的升级方法。

图1 低压穿越控制设备连接入风电机组示意图Fig.1 The connection diagram of the LVRT control equipment in the wind power system

低压穿越控制设备由主功率旁路和支撑回路组成，在电网电压正常的工况下，由主功率旁路来提供发电机组到电网的功率流通路。在电网故障或者电网电压跌落的工况下，主功率旁路迅速关断，由支撑回路在电网端口输出无功功率用以支撑电网电压，同时在发电机端口跟踪正常电网电压，使得发电机以及变流器与电网故障隔离开来，顺利实现低压穿越。如图2所示。

图2 低压穿越控制设备系统拓扑图Fig.2 The system topology of the LVRT control equipment

2.1 主功率旁路工作原理

相比于失速型机组，其在20 ms 内主功率旁路关断是可以接受的。而变速型机组对电网电压的反应更为灵敏，因此，主功率旁路的关断必须在极短的时间内完成关闭。否则，变流器检测到电网故障，脱网停机，不能实现低压穿越。

主功率旁路通过对主路上的晶闸管进行强迫关断来实现电网故障和发电机组的快速隔离。强迫关断电路通过给每相主功率晶闸管设计辅助换流电路来实现，如图3所示。图3中，虚线所表示的换流路径分别对应主回路电流正负半周对应开通的晶闸管的关断。当低压穿越控制设备检测到电网电压跌落时，根据跌落发生时刻的相位，给对应相的正半周或者负半周辅助关断晶闸管发驱动信号，使得储能电容上的电压形成加在主回路晶闸管两端的反向电压，由此实现对应相主回路晶闸管关断。图4所示为主功率晶闸管强迫关断电流波形图，图4中，通道1，3分别表示A，B两相主功率晶闸管电流。

图3 主功率旁路晶闸管强迫关断电路原理图Fig.3 The schematic of the forced turn-off circuit for the main power bypass SCR

图4 主功率旁路晶闸管强迫关断电流波形图Fig.4 The waveforms of the forced turned-off current in the main bypass SCR

从图4 可以看出，主功率旁路晶闸管在2 ms内实现完全关断，经过主功率回路上的适当滤波延迟，变频器未检测到电压跌落故障，能够持续并网运行。

2.2 支撑回路工作原理

根据图2所示，支撑回路由网侧变流器、机侧变流器和Chopper 模组组成，支撑回路依靠网侧变流器和机侧变流器组成的IGBT 4 象限变换电路，在发电机侧，输出电压同步电机定子电压，使得发电机的转矩稳定，发电机发出的有功功率通过发电机侧IGBT 整流为直流电，部分消耗在支撑回路的Chopper 上。同时这部分有功功率，通过电网侧IGBT来实现输出支撑电网电压的无功功率，支撑回路电路原理图如图5所示。

图5 支撑回路主电路原理图Fig.5 The schematic of the voltage regulator circuit

3 低压穿越改造方法实验测试

3.1 低压穿越国家标准

根据GB19963—2011 国标要求，风电场的低压穿越能力应符合图6的要求［2］。

图6 GB19963—2011所规定的风电机组低压穿越运行工况范围Fig.6 The operation area of the wind power system in LVRT according to GB19963—2011

1）风电场并网点电压跌至20%额定电压时，风电机组能够保证不脱网连续运行625 ms；2）风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风电机组能够保证不脱网连续运行；对电力系统故障期间没有切出的风机，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率/s 的功率变化率恢复至故障前的值。有功恢复的变化率由主控给出。

电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，风电机组应具有下列动态无功支撑能力：1）当风电场并网点电压处于额定电压的20%～90%区间内时，风机通过注入无功电流支撑电压恢复；自电压跌落出现的时刻起，该动态无功电流控制的响应时间不大于75 ms，并能持续550 ms的时间；2）风机发出的动态无功电流为

式中：IN为风机额定电流；UT为故障期间并网点电压标幺值。

根据IEC61400—21 标准，采用如图7 所示模拟电网短路故障引起的电压跌落故障［3］。

图7 低压穿越测试原理图Fig.7 The schematic of the test circuit for wind power system LVRT

上述拓扑中通过控制KS1和KS2断路器，可实现电压跌落幅度的控制。

3.2 低压穿越测试结果

电网电压跌落时低压穿越控制设备的穿越性能测试结果如图8a、图8b所示。

图8 性能测试结果Fig.8 The performance test results

如图8a 所示，三相电压跌至20%Un，故障前负载输出功率0.23Pn。低压穿越持续时间623 ms，低压穿越期间双馈变流器电网侧电压保持平稳，旁路电流500 ms 内恢复至故障前电流。如图8b 所示，三相电压跌至35%Un，故障前负载输出功率0.8Pn。低压穿越持续时间883 ms，低压穿越期间双馈变流器电网侧电压保持平稳，旁路电流500 ms 内恢复至故障前电流。

山西电科院的现场实测波形图如图9所示。

图9 现场测试结果波形图Fig.9 The waveform of the field test results provided

4 低压穿越改造方法实施

出于安装和维护方便来考虑，一般将低压穿越控制设备放置在塔筒底部。需要穿过塔筒门进行的安装过程如图10所示。

图10 低压穿越控制设备的塔筒内安装示意图Fig.10 The installation diagram of the LVRT control equipment in wind tower

穿过塔筒并在塔筒内安装完毕低压穿越控制设备之后，将原塔筒内变流器网侧进线电缆拆除；然后将拆除的线缆接至低压穿越控制设备进线侧；再将准备好的电缆从低压穿越控制设备机侧出线接至原塔筒内变流器进线侧，上述完成之后，启动低压穿越控制设备，确认设备正常运行，变流器顺利启动，机组并网，之后即可开始低压穿越测试。从卸车吊装到在塔筒里调试完毕，只需要1到2天的时间。

实际低压穿越控制设备的使用过程中，由于未对主控进行任何修改，用户对发电机组的操作不变。主控监视的电网电压因为该设备的存在而更加稳定，只有通过低压穿越控制设备的后台才能看到机组何时发生了低压穿越。对于变频器安装在塔筒底部的机组，塔筒底部的操作和维护空间会因为低压穿越控制设备的安装而有所减少。

5 结论

通过在现场风机塔筒内的安装和低压穿越测试，证明低压穿越控制设备是一种安装实施简便迅速、性能可靠的风电机组低压穿越改造方案，对于我国现有存量的大功率风电机组的低压穿越改造和风电并网稳定性的提高有着重要的意义。

［1］Chen Zhe，Josep M Guerrero，Frede Blaabjerg. A Rewiee of the State of the Art of the Power Electronics for Wind Turbines［J］. Power Electronics，IEEE Transaction on，2009，24（8）：1859-1874.

［2］GB/T 19963—2011.风电场接入电力系统技术规定［M］.北京：中国国家标准化管理委员会发布，2011.

［3］IEC61400—212008—8 Part 21：Measuement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines［S］.