風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試相關(guān)技術(shù)分析

沈榮斌

【摘 要】風(fēng)電接入電網(wǎng)的比例逐漸增大，同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)的電網(wǎng)安全隱患。為避免因風(fēng)電脫網(wǎng)而造成大面積停電事故，對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力進(jìn)行測(cè)試十分必要。保證風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力是風(fēng)電大規(guī)模接入系統(tǒng)的重要前提。本文闡述了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容，并分析了如何選擇低電壓穿越測(cè)試的相關(guān)參數(shù)，提出了加強(qiáng)管理風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的相關(guān)意見(jiàn)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越能力；測(cè)試；技術(shù)

0.前言

近年來(lái)，風(fēng)電在電網(wǎng)中的滲透比率越來(lái)越大，帶來(lái)了很好的社會(huì)效益，同時(shí)也取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但風(fēng)電機(jī)組由于沒(méi)有具備低電壓穿越能力，而導(dǎo)致大面積脫網(wǎng)事故的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，引起了國(guó)家有關(guān)部門的高度重視。為此，國(guó)家電網(wǎng)頒布了《關(guān)于開(kāi)展并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越專項(xiàng)檢測(cè)工作的通知》和《關(guān)于印發(fā)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行反事故措施要點(diǎn)的通知》[1]，要求對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)不合格的應(yīng)進(jìn)行升級(jí)改造，以確保風(fēng)電接入電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.低電壓穿越測(cè)試的原理和內(nèi)容

1.1低電壓穿越測(cè)試的原理

根據(jù)低電壓穿越測(cè)試的原理要求，電壓跌落必須以阻抗分壓的形式出現(xiàn)。而串聯(lián)阻抗能夠減少短路電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊力度，且對(duì)風(fēng)機(jī)無(wú)顯著的暫態(tài)響應(yīng)。電壓跌落前后，串聯(lián)阻抗可連接其中一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)，依靠并聯(lián)阻抗連接短路開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電壓跌落。

世界上現(xiàn)有兩種低電壓穿越測(cè)試設(shè)備：低壓側(cè)低電壓穿越測(cè)試設(shè)備、中壓側(cè)低電壓穿越測(cè)試設(shè)備。這兩種測(cè)試設(shè)備具有相同的基本原理，具有等效的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落效果，并得到國(guó)際認(rèn)證。

1.2低電壓穿越測(cè)試的內(nèi)容

影響風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性的因素很多，諸如主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變頻器等，任意一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題都可能會(huì)影響低電壓穿越特性，造成潛在的脫網(wǎng)事故隱患。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越能力檢測(cè)非常重要。

⑴低電壓穿越測(cè)試的形式：一般分為低電壓穿越能力抽檢測(cè)試、低電壓穿越能力認(rèn)證測(cè)試兩種。低電壓穿越能力抽檢測(cè)試是指風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在風(fēng)電場(chǎng)，且具備了低電壓穿越能力認(rèn)證合格證書之后，對(duì)其再次進(jìn)行抽樣試驗(yàn)的測(cè)試。而低電壓穿越能力認(rèn)證測(cè)試則是對(duì)廠家生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行型式試驗(yàn)，驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力的測(cè)試[2]。

⑵低電壓穿越能力認(rèn)證測(cè)試：進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力認(rèn)證測(cè)試的資格單位應(yīng)具備CNAS資質(zhì)。目前符合要求的單位有遼寧電科院、中國(guó)電科院等。測(cè)試內(nèi)容：在小功率輸出達(dá)到10%～30%，大功率輸出超過(guò)90%的工況下，風(fēng)電機(jī)組電壓跌落到20%、35%、50%、90%時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力驗(yàn)證，并做到每種情況進(jìn)行2次驗(yàn)證。

⑶低電壓穿越能力抽檢測(cè)試：僅驗(yàn)證在兩種工況下，風(fēng)電機(jī)組電壓跌落到20%時(shí)的穿越能力。

⑷不同電壓跌落對(duì)應(yīng)的跌落時(shí)間：剩余電壓20%—跌落時(shí)間625ms、剩余電壓35%—跌落時(shí)間920ms、剩余電壓50%—跌落時(shí)間1214ms、剩余電壓75%—跌落時(shí)間1705ms、剩余電壓90%—跌落時(shí)間2000ms[3]。

2.低電壓穿越測(cè)試相關(guān)參數(shù)的選擇分析

2.1短路容量

目前，我國(guó)對(duì)于短路容量的限定值標(biāo)準(zhǔn)還未明確，但在國(guó)外一些國(guó)家，尤其是風(fēng)電發(fā)展較快的國(guó)家，對(duì)于低電壓穿越測(cè)試的短路容量有非常明確的要求，即短路容量必須是風(fēng)機(jī)容量的3倍或以上，有些甚至要求達(dá)到5倍以上10倍以下。根據(jù)相關(guān)的測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)工況相同、電壓跌落相同的情形下，風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的容易程度隨著短路容量的增大而增大。按照相關(guān)規(guī)定，在低電壓穿越產(chǎn)生的裝置中，串聯(lián)阻抗應(yīng)起到限流的功效，且串聯(lián)阻抗大小不會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生明顯的暫態(tài)響應(yīng)。短路容量越小，串聯(lián)阻抗就越大，短路容量越大，串聯(lián)阻抗就越小，兩者呈反比例關(guān)系。若選擇串聯(lián)阻抗過(guò)大時(shí)，則會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響，造成低電壓穿越失敗?？偨Y(jié)實(shí)際測(cè)試相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，若短路容量設(shè)定小于2倍，電壓跌落到50%以下時(shí)，低電壓的穿越能力就會(huì)受到較大的串聯(lián)阻抗影響，從而產(chǎn)生切機(jī)情況。但若工況相同、電壓跌落相同，短路容量設(shè)定超過(guò)3倍，風(fēng)電機(jī)低電壓穿越測(cè)試則可順利完成。

2.2跌落電壓

在每個(gè)并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越進(jìn)行抽檢測(cè)試，是保證風(fēng)電接入電網(wǎng)安全運(yùn)行的必要措施。抽檢測(cè)試中可在每種機(jī)型中抽選1臺(tái)檢測(cè)，檢測(cè)在兩種工況下，電壓跌落到20%時(shí)低電壓的穿越能力。但總結(jié)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，若單只檢驗(yàn)電壓跌落到20%時(shí)的低電壓，難以全面反映風(fēng)電機(jī)組低電壓的穿越能力。因?yàn)橛袝r(shí)候電壓跌落到20%時(shí)可通過(guò)，但當(dāng)電壓跌落達(dá)到90%時(shí)，則可能無(wú)法通過(guò)。但由于我國(guó)目前有資格進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越檢測(cè)的單位有限，因此，很難確定低電壓的測(cè)試周期，這也決定了我國(guó)低電壓的穿越測(cè)試工作需經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。

2.3轉(zhuǎn)子短路的保護(hù)

當(dāng)前很多制造商會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝上crowbar電路，以提供旁路，保證發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。其主要作用是在檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，能夠閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器。與此同時(shí)投向轉(zhuǎn)子回路的旁路，以對(duì)電流、轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電壓形成限制和阻礙，從而達(dá)到保證發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的目的。在主流側(cè)并接入制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元，可以很好的消耗掉充電電容中的電壓，從而有效降低變流器的直流側(cè)電壓。

但保護(hù)電路存在一些缺陷，例如在出現(xiàn)電網(wǎng)故障時(shí)，按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行的機(jī)組會(huì)吸收大量功率，從而降低電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。另外，進(jìn)行crowbar保護(hù)電路操作時(shí)，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。因此，在crowbar觸發(fā)后，可保證發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)，但不能支撐電網(wǎng)電壓。

Crowbar一般通過(guò)可控硅來(lái)控制導(dǎo)通，有效防止轉(zhuǎn)子和直流母線過(guò)流或過(guò)壓現(xiàn)象。但可控硅不能控制其關(guān)斷，一旦可控硅導(dǎo)通，直流母線電壓釋放就會(huì)歸0，變流器無(wú)法工作。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，制造商制造出能夠控制其關(guān)斷的crowbar回路，即有源 crowbar，很好地解決了以上問(wèn)題。

電網(wǎng)出現(xiàn)故障期間，勵(lì)磁變流器會(huì)與電網(wǎng)、轉(zhuǎn)子繞組始終保持連接狀態(tài)，由此不受故障影響，保證雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)能正常運(yùn)行。電網(wǎng)故障消除后，即可關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)，切除旁路電阻，使雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)作。

2.4有功功率的恢復(fù)速度

根據(jù)我國(guó)最新的《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T19963—2011），僅對(duì)風(fēng)電場(chǎng)故障消除后的有功功率恢復(fù)速度有相關(guān)要求，而對(duì)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組并無(wú)明確的規(guī)定要求。根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果顯示，風(fēng)電機(jī)組的有功功率恢復(fù)一般可分為兩種：瞬間恢復(fù)有功功率、按一定速率恢復(fù)有功功率?？偨Y(jié)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，就單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組而言，瞬間恢復(fù)有功功率占有優(yōu)勢(shì)。另外，變流器與主控變槳系統(tǒng)間的互相配合作用也至關(guān)重要，在滿足功率恢復(fù)速度時(shí)，還應(yīng)避免恢復(fù)過(guò)快造成的暫態(tài)沖擊。

3.加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試相關(guān)意見(jiàn)

雖然風(fēng)電機(jī)組的性能越來(lái)越高，但暴露出來(lái)的問(wèn)題也不少。尤其是風(fēng)電機(jī)組部件和參數(shù)設(shè)定中存在問(wèn)題。因此，需對(duì)這些部件版本進(jìn)行必要的升級(jí)。但從目前的情況來(lái)看，在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力認(rèn)證測(cè)試中，測(cè)試人員往往只考慮了參數(shù)配置問(wèn)題，而忽略了參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)影響作用。建議發(fā)電企業(yè)與電網(wǎng)公司互相協(xié)作共同解決。發(fā)電企業(yè)應(yīng)在低電壓抽檢后，詳細(xì)記錄風(fēng)電機(jī)組調(diào)整前后相關(guān)信息，并將調(diào)整情況反饋到調(diào)度部門，由調(diào)度部門決定是否需要重新進(jìn)行低電壓穿越抽檢測(cè)試工作。另外，調(diào)度部門還應(yīng)做好抽檢測(cè)試備案工作，包括記錄風(fēng)電機(jī)組相關(guān)配置和參數(shù)，制定核查計(jì)劃書。

4.小結(jié)

綜上所述，做好風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試工作對(duì)預(yù)防風(fēng)電脫網(wǎng)具有重要意義。因此，要熟練掌握低電壓穿越測(cè)試相關(guān)原理和內(nèi)容，更要選擇好低電壓穿越測(cè)試相關(guān)參數(shù)，以確保電壓跌落期間不脫網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]董鶴楠，王剛，邢作霞，姚興佳.風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越測(cè)試方法對(duì)比研究[J].可再生能源，2013，31（07）：25-28.

[2]趙清松，徐建源，劉勁松，王剛，戈陽(yáng)陽(yáng).風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越測(cè)試變流器中電流特性分析[J].東北電力技術(shù)，2013（01）：13-17.

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