风电机组低电压穿越仿真研究

唐保国

（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

0 引言

随着风电装机在发电总装机中所占比例的不断增大，风电机组的运行对电网的影响已经不容忽视。我国风电大多采用集中接入的方式，当电网因故障导致并网点电压跌落时，一旦风电机组大规模脱网可能造成系统电压和频率的崩溃，成为电网安全稳定运行的巨大隐患。因此，大规模集中接入电网的风电机组必须具有低电压穿越能力，只有当电网电压跌落低于标准规定的曲线以后才允许风电机组脱网。

目前，山西省已进入风电大省的行列，截止2017年底，山西电网总装机80 693.777 MW，已投产风电场89座，总装机8 906.8 MW，占比13.36%，包括永磁直驱型、双馈异步型、高滑差单速异步型和异步型4种风机类型。因此，开展风电机组低电压穿越的仿真研究对电网运行等具有重要的意义。

1 风电系统低电压穿越的相关规定

低电压穿越 LVRT（low voltage ride through）是指风机并网点电压发生跌落时，风机连续并网运行，甚至向电网供给部分无功功率和电压支撑，直到电网恢复，从而“穿越”整个低电压区段的时间。对于风电机组这种特定的运行功能，《风电场接入电力系统技术规定》GB/T 19963—2011中规定了我国风电机组的低电压穿越运行曲线，如图1所示，它是本文研究低电压穿越技术的主要技术依据。

图1 《风电场接入电力系统技术规定》规定的风电机组低电压穿越运行曲线

《风电场接入电力系统技术规定》GB/T 19963—2011的具体要求如下。

a） 风电场公共连接点PCC（point of common connection） 处电压跌落到20%标称电压时，风电机组应具有连续运行不脱网625 ms的能力。

b） 风电场PCC处电压在发生跌落之后的2 s内能够恢复到90%标称电压时，风电机组能够保证连续运行不脱网。

风电场低电压考核的故障类型以三相短路、两相短路和单相接地短路为主要故障，风电场PCC处线电压为考核电压。当系统发生以上非对称故障时，如风电机组PCC处电压全部在图1中电压曲线及以上区域时，风电机组必须保证连续运行不脱网，其他区域允许风电机组切出。

2 低电压穿越测试装置的原理及分类

为了提高我国风电机组并网运行检测能力，荣信股份、中电普瑞和北京博电等设备生产厂家先后推出了移动式低电压穿越检测设备。目前，低电压穿越测试装置原理一般有3类，即：阻抗分压型式、变压器型式和电力电子变换型式。

基于阻抗分压的低电压穿越试验装置，通过在主电路中并联或串联电阻/电抗实现电压跌落。图2为低电压穿越测试装置的电路原理，根据原理又可分为串联阻抗和并联阻抗方式。

图2 串/并联阻抗型式的低电压穿越试验装置原理图

并联阻抗型试验装置通过阻抗Z1、阻抗Z2和负载的合理匹配使电压达到某一幅度的跌落，即接通断路器DL将阻抗Z2接入，产生电压跌落；断开断路器DL隔离阻抗Z2，则电压恢复正常。

串联阻抗型试验装置，通过与阻抗并联的断路器来实现电压的跌落和恢复。断路器分断时，产生电压跌落；接通时，电压恢复正常。

基于阻抗型式的低电压穿越试验装置，如果其串并联阻抗连续可调，则可以得到不同的电压跌落深度。图2中的断路器可以是晶闸管或者其他具有分合能力的设备，目前采用双向晶闸管的阻抗型式低电压穿越试验装置是研究热点，国内已有类似产品进行了现场测试。本文在建立风电机组模型基础上，结合IEC61400—21推荐的阻抗分压形式（图2中并联阻抗方式） 对相间和三相短路进行了低电压穿越功能的仿真研究。

3 永磁直驱型风机低电压穿越仿真研究

3.1 永磁直驱型风机

风能被风轮机转化为机械能，驱动永磁发电机生产出电能，电能通过全功率变流器转变后输送到电网。永磁直驱型风机由于定子经变流器连接电网，与电网解耦，因此电网电压的跌落不会对发电机有大的影响，但仍会影响到网侧变流器的运行，这就要求网侧变流器能够实现低电压穿越。

3.2 永磁直驱型风机低电压穿越仿真

永磁直驱型风电机组的定子经机侧和网侧的变流器与电网相连，风电机组与电网没有直接耦合关系，其低电压穿越仿真系统如图3所示。

图3 永磁直驱型风机低电压穿越仿真系统

故障时刻为3 s，故障时间625 ms，仿真系统中未加装低电压穿越保护电路。三相和相间故障时，按照20%Un设定电压跌落定值。其仿真结果如图4、图5所示。

图4 永磁直驱型风机三相短路低电压穿越仿真结果

图5 永磁直驱型风机A、B相间低电压穿越仿真结果

4 双馈风机低电压穿越仿真研究

4.1 双馈异步风电机组

双馈异步风力发电机采用绕线式异步发电机，定子绕组直接接至电网，转子绕组通过交直交系统接至电网。当双馈发电机的负载以及转速发生变化时，通过馈入转子绕组电流的控制，使定子输出的电压和频率维持不变，而且对双馈发电机的功率因数也能起到调节作用。

4.2 双馈异步风电机组低电压穿越仿真

双馈异步风电机组的定子与电网直接耦合，转子与电网不直接相连。这种模式在电网电压跌落情况下，定子、转子之间的不同步变化，使得机组的控制策略变得更为重要。控制策略的偏差会增加无功功率的吸收，最终导致定子电压下降而使得电网电压难以正常恢复。双馈异步风电机组低电压穿越仿真系统如图6所示。

图6 双馈异步风电机组低电压穿越仿真系统

故障时刻为3 s，故障时间625 ms，仿真中未加装Crowbar保护电路。三相和相间故障时，电压按照20%Un设定跌落定值。其仿真结果如图7、图8所示。

图7 双馈风机三相短路低电压穿越仿真结果

图8 双馈风机AB相间短路低电压穿越仿真结果

5 结论

风电机组低电压穿越仿真研究中建立了过/低电压保护、过/欠频保护模块，其定值为110%Un/20%Un、55 Hz/45 Hz，在故障量超过定值时，瞬时从电网中切出风电机组。仿真研究中控制策略为恒功率因数模式，未考虑风速变化等情况。

a)永磁直驱风电机组因机组与电网解耦，在电压跌落至20%Un，会导致有功功率的输出减少，同时永磁直驱风电机组可提供一定的无功功率，而且机组不间断运行。因此对于永磁直驱风电机组本身具有一定的低电压穿越能力，但也会受到变流器等设备的限制。

b)从双馈风电机组低电压穿越仿真（未投入Crowbar保护）可以看出，在严重故障时，电压跌落瞬间，双馈机组发出无功功率；故障时间加长，将导致双馈机组发出无功减少，在故障切除瞬间，双馈机组将吸收较大的无功功率，将会导致系统恢复时间的加长。

c)永磁直驱风电机组在电网电压降落会对网侧变流器的运行产生一定影响，因此提高网侧变流器的过流和耐压值、直流电容的额定电压即可实现LVRT；双馈风电机组转子侧变流器在电压跌落时会因容量小而受到制约，增大转子侧变流器电流容量，既可快速恢复定子和电网之间有功、无功功率的交换，也会对电网电压的快速恢复有一定的帮助。