风电场风电机组低电压穿越功能的实践研究

王瑞云

（镇江市高等专科学校，江苏镇江212000）

风电场风电机组低电压穿越功能的实践研究

王瑞云

（镇江市高等专科学校，江苏镇江212000）

低电压穿越是风电机组的一项功能，当电网扰动或故障引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行，避免风机脱网而造成巨大危害。因此，在明确不同类型风电机组达到LVRT功能要求所需技术措施的基础上，详细论述低电压穿越功能实现的工作流程。

低电压穿越；工作模式；风电机组

0 前言

2012年4月，某风电场因为山火引起500 kVⅡ回线路跳闸发生了脱网事件，12时46分08秒，风电场系统电压是115.2 kV，相电压是

66.8 kV。受电网电压波动影响A、B、C三相电压分别是：A相电压降至最低52.3 kV，B相电压降至最低52.4 kV，C相电压降至最低52.4 kV；13时33分04秒，风电厂再次遭受电网电压波动时，系统电压是115.2 kV，相电压是66.5 kV，A、B、C三相中A相电压降至最低51.6 kV，B相电压降至最低51.6 kV，C相电压降至最低51.5 kV。在两次电网电压波动过程中，风电场风机全部解列，当系统电压恢复后，调度令所有风机投入运行。风力发电机本来以额定转速运转，转速约20转/秒；当大量风电机组脱网后，转速有可能马上失控而上升到30～40转/秒，导致“飞车”事故，造成风机倒塌甚至机毁人亡。此次事件的发生，造成风机大量脱网事件的原因是风电场的风机都没有启用低电压穿越功能。

1 国家电网的低电压穿越要求

根据国家能源局2009[1465]号文件的规定，风机应根据Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》，其低电压穿越的具体要求为：

1）当风电机组并网点电网电压在90%额定电压以上时，风电机组应能连续运行；

2）当风电机组并网点电网电压发生单相或多相跌落故障时，风机应能够按照设定的工作曲线连续工作不脱网。允许的最大跌落深度为20%额定电压，要求风电机组能够维持运行625 ms（跌落时间）。

3）如果电网电压在2 s内恢复，风机也不应脱网。

具体的低电压穿越曲线如图1所示。

图1 低电压穿越曲线

2 不同类型风电机组达到LVRT功能要求的技术措施

固定转速风电机组采用的是普通异步电机作为发电机，一般运用静止无功补偿装置（SVC），采用无功补偿的方法实现风电机组的低电压穿越功能，满足风电机组对LVRT要求的并网标准。

双馈变速风电机组，机组本身可以实现LVRT功能。当系统外部故障引起风电机组端电压跌落时，风电场能维持运行，满足风电机组LVRT要求的风电并网标准。

由于并网标准对风电机组有LVRT的要求，从而增加了风电机组造价。

已建成的风电场，改造风电场风机低电压穿越相关设备的软硬件，实现LVRT低电压穿越功能。

2.1 双馈变速风电机组的LVRT原理

双馈发电机组的转子通过一个背靠背PWM变流器与电网相连。电网侧变流器主要是控制电容电压恒定，为转子侧变流器提供电源；转子侧变流器提供幅值、相位和频率可变的励磁电流给转子绕组，对机组输出的有功和无功独立进行控制。

当系统外部短路故障时，双馈电机定子电流增大，定子电压和磁通突然下降，转子侧感应电流增大。双馈变速风电机组为保护转子侧变流器，转子侧都装有转子短路器。当转子侧电流超过设定值一定时间时，转子短路器投入，转子侧变流器退出运行，电网侧变流器与电网仍然相连，风电机组仍并网运行。当系统外部故障导致的低电压持续存在的情况下，双馈风电机组控制过程（故障后保护迅速动作切除故障则不需考虑过程2）如下：

1）当转子侧电流或者变流器直流电压超过设定限值时，转子短路器旁路转子侧变流器，电网侧变流器仍然通过变压器与电网相连；

2）风机桨距角控制系统即刻起作用，减少风机捕获风能，从而重新建立风电机组机端电压；

3）清除故障后，机组端电压恢复，转子侧变流器投入正常运行。

当转子侧电流升高的值危害不到转子侧变流器时，转子短路器不动作，转子侧变流器仍然继续工作，如果此时机端电压降低，电机本身的调节能力就可实现LVRT功能，不用调节桨距角。

当定子电压和磁通跌落时，双馈电机电磁转矩和输出功率下降，若此时机械负载不变，必定使转子加速。所以，当系统外部故障使低电压持续存在时，转子短路器投入的同时还需调节风机桨距角，减少风能的捕获，减小风机机械转矩。

2.2 相关设备软硬件的技术改造

对风电场风机进行低电压穿越相关设备的软硬件改造，实现LVRT低电压穿越功能，包括变流器系统、主控系统、变桨系统3个部分的改造工作。

2.2.1 变流器系统低电压穿越

首先，对变流器低电压穿越硬件进行改造。本改造以上海电气W1250（高原型）风电机为例，为防止电网电压波动或异常对并网断路器及其他 220VAC交流控制回路造成不良影响，需要将变流器原来的24VDC蓄电池组替换为220VAC 1 000Ah的UPS不间断电源。

当电网出现电压跌落时，风电机组发电机能量不能正常输送入电网，会使得变流器直流母排电压异常升高，造成母排电容和功率模块控制异常并损害。所以，增加HOOPER组件，通过实时控制CHOOPER组件IGBT的通断及电阻型能量泄放回路，维持直流母排电压的稳定。

在电网出现低电压时，变流器控制机侧逆变器灭磁停止给转子励磁电流，但是因发电机定子无法输出，会在发电机转子绕组上造成很大的堵转电流，甚至损害转子绕组。为此，需要将电机转子侧的无源CROWBAR替换为有源CROWBAR。通过实时控制 CROWBAR组件IGBT的通断及电阻型能量泄放回路来实现转子侧能量的释放。

其次，对变流器CCU控制板进行改造。升级原有的变流器控制板CCU，使变流器满足LVRT功能的需要，并同步升级LVRT相配套的控制板程序。

在改造硬件的同时，还需要同步升级LVRT相配套的控制程序，以保证风机在电网发生低电压故障时不脱网，同时在电网故障恢复过程中，向电网提供无功支持。

升级后，变流器系统增加一个“变流器低电压穿越工作模式”，同时将此状态送至主控系统，以便两个系统协同工作。

2.2.2 主控系统低电压穿越

上海电气W1250（高原型）风电机组配置的主控系统为MITA WP3100，主控系统软件中已经集成了低电压穿越功能（Low Voltage Ride Through）。该软件不仅包括低电压穿越功能，还包括高电压穿越、低频率穿越、高频率穿越功能，统称为FRT（Fault Ride Through）。

在风电机组中，电网电压、电流及频率的检测由主控系统与变流器系统同时进行。主控系统的计算周期与变流器的DSP（Digital Signal Process）芯片处理时间相对比，主控系统的计算周期相对较慢，所以变流器系统检测到低电压跌落情况更快。为此变流器系统将“变流器低电压穿越模式”的信号，送给主控系统，使机组主控系统和变流器系统的低电压穿越同步动作。

主控系统接收到变流器送来的“变流器低电压穿越模式”信号后，控制风轮桨叶收桨，降低叶轮风能的吸收量，另外控制风轮转速不至于过低，防止低功率脱网。另外，主控系统也要检测电压跌落情况，主要为了避免变流器系统送来的“变流器进入低电压穿越模式”信号线的故障。即使主控系统未收到变流器送来的“变流器进入低电压穿越状态”信号，主控系统也会主动进入低电压穿越模式。

为适应低电压穿越要求，主控系统也需要进行控制软件升级。

2.2.3 变桨系统低电压穿越

上海电气W1250（高原型）风电机组使用比例阀控制的液压变桨方式，配置有足够容量的蓄能器，能够保证系统在故障情况（包括低电压穿越）安全顺桨。所以，低电压穿越情况下，变桨系统不需要做任何改动。

3 低电压穿越过程

3.1 变流器低电压穿越工作流程

变流器低电压穿越工作流程如图2所示。

图2 变流器低电压穿越工作流程

3.2 正常低电压穿越

主控系统的正常低电压穿越工作模式称为“协调低电压穿越”工作模式，穿越过程为：当电网电压发生波动（单相、两相或三相电压发生跌落），变流器系统首先检测到电网电压变化，变流器进入低电压穿越模式，同时送出“变流器进入低电压穿越模式”状态信号给主控系统。

当主控系统接收到变流器系统送来的“变流器进入低电压穿越模式”状态信号，主控系统将触发状态码，进入低电压穿越模式收桨，并控制收桨速度和风轮转速，确保风轮转速不低于风机系统允许的最低工作转速，避免脱网。

主控系统在接受到来自于变流器的“变流器进入低电压穿越模式”状态信号的同时，主控系统也会检测电网电压的跌落情况（包括三相跌落情况、跌落深度及跌落时间），给出相应的信息状态码（不停机）。

当电网电压跌落时，主控系统690VAC、400VAC工作电源的设备不能正常工作。主控系统将闭锁这些设备的启动及相应的故障代码。由于主控系统配置有 UPS，对于 230VAC、24VDC设备，可保证这些设备在低电压过程中的正常工作。

如果主控系统检测到电网电压跌落深度或跌落时间超出国标允许的范围，主控系统将报出（低电压穿越超时）故障码而启动停机程序；同时，正常的电网电压监测程序将启动。根据电网电压、频率跌落情况的不同，相应的报出故障码而停机。

3.3 异常低电压穿越

为协调主控系统与变流器系统工作，变流器至主控系统的信号需硬接线，即“协调低电压穿越”工作模式。

由于存在变流器至主控系统的“变流器进入低电压穿越模式”信号硬接线故障（如断线、松动）的情况，所以主控系统设定了“主动低电压穿越”工作模式，其主要过程为：

主控系统在没接收到变流器至主控系统的“变流器进入低电压穿越模式”状态信号的情况下，若检测到电网电压跌落发生，主控系统将延时一段时间后主动进入低电压穿越状态。

在主控系统“主动低电压穿越”工作模式下的动作过程与“协调低电压穿越工作模式”一样。

主控系统的“主动低电压穿越”将配合变流器完成机组的低电压穿越工作。

3.4 低电压穿越动作连续发生

在低电压穿越工作过程中，变流器能耗制动电阻通过发热的方式将变流器吸收的能量消耗掉。若电网连续发生低电压情况，并且连续2次的时间间隔较短（通常小于20分钟，具体时间取决于上次低电压穿越时风机的功率），能耗制动电阻的温度暂时没降下来，再一次的能耗制动发热将会烧毁能耗制动电阻。为此，为保护变流器，在变流器系统程序内，限制两次低电压穿越的允许间隔时间，如果低于允许的间隔时间，风机系统将直接停机，不触发低电压穿越程序。

4 结论

低电压穿越是风机的一项功能，当电网扰动或故障引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行，避免风机脱网事故。当电网发生短暂故障时，由于风机具有低电压穿越能力，风机能够不间断并网，为电网自行调节赢得时间，提高电网的安全稳定性。

[1]刘陵顺,胡育文,黄文新.电力电子变换器控制的异步电机发电技术[J].电工技术学报,2005(5):1-7.

[2]关宏亮,赵海翔,王伟胜,等.风电机组低电压穿越功能及其应用[J].电工技术学报,2007(10):173-177.

[3]李蕊.风电场低电压穿越能力检测技术研究与仿真校核[D].昆明:昆明理工大学,2015.

[4]张森峰.风电场低电压穿越技术研究[D].西安:西安科技大学,2012.

［责任编辑：刘 月］

Practical Study on Low Voltage Ride Through Function of Wind Farm Wind Turbine Generators

WANG Ruiyun
(Zhenjiang College,Zhenjiang 212000,China)

Low voltage ride through is a function of wind turbine generators.When the power grid disturbance or fault causes the voltage of wind farm grid connection point drop,in a certain range of voltage sag, the wind turbine generators can carry out grid connect operation constantly,so as to maintain the stable operation of the power grid and avoid the fan out of the network causing great harm.Therefore,on the basis of defining the required technical measures for different types of wind turbine generators achieving the LVRT functional requirements,the researcher discusses in detail the work flow of low voltage ride through function realization.

low voltage ride through;working mode;wind turbine generators

TM315

A

2095-5928（2016）06-49-05

2016-09-25

王瑞云（1972-），女，山东海洋人，教授，硕士，研究方向：电气控制。

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.06.014