直驅(qū)型風力發(fā)電機組低電壓穿越能力綜述

劉玉良

摘 要：隨著直驅(qū)型風力發(fā)電機組在風電場裝機容量占比的增加，直驅(qū)型風力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障下的連續(xù)運行變得非常重要。電網(wǎng)要求風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓跌落時能連續(xù)運行，而在電網(wǎng)電壓跌落時直驅(qū)型風電機組在保證連續(xù)運行的同時，又保證了本身的電氣元器件安全運行。本文分析了直驅(qū)型風力發(fā)電機組在低電壓穿越能力方面的表現(xiàn)，并探討了低電壓故障穿越技術(shù)問題及以后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：直驅(qū);風力發(fā)電;低電壓穿越

引言

2018年，我國風電在電力結(jié)構(gòu)中占比呈持續(xù)性增長態(tài)勢，全國風電發(fā)電量為3660億千瓦時，占據(jù)全部發(fā)電量的5.2%。而在風力發(fā)電機組中直驅(qū)型風力發(fā)電機組因少了雙饋型風力發(fā)電機組中高速傳動部件故障問題日益突出的齒輪箱，系統(tǒng)效率有了顯著提高，得到了各業(yè)主單位的青睞。直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)已被市場證明在低電壓穿越特性方面擁有出色的性能。同時，電網(wǎng)也要求風力發(fā)電系統(tǒng)可以很好地控制輸出，安全地運行在一定的功率因數(shù)范圍之內(nèi)，并且能夠在電網(wǎng)電壓跌落等故障情況下，風力發(fā)電機組能夠保持連續(xù)運行，并向電網(wǎng)輸出無功，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。因此學術(shù)界對直驅(qū)型風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力了各種分析和研究[2]。本文對直驅(qū)型風力發(fā)電機組在低電壓穿越性能方面進行了綜合闡述。

1 故障穿越能力概念

低電壓穿越（LVRT），指在風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓跌落的時候，風力發(fā)電機組能夠保持連續(xù)運行，并且向電網(wǎng)輸出一定的無功功率，幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而"穿越"這個低電壓區(qū)域。低電壓穿越是對運行中風力發(fā)電機組在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行能力要求。

目前對風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力而言，各國都有相應(yīng)的規(guī)程要求，中國標準要求：《風力發(fā)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms》?？芍碗妷捍┰阶畲笊疃戎笜嗽谥袊?guī)程中的標準為20%額定電壓。大多數(shù)發(fā)達國家的風力發(fā)電并網(wǎng)規(guī)程都比中國嚴格，都提出了零電壓穿越（Zero Voltage Ride Through，ZVRT）要求，而故障類型也分為對稱故障和非對稱故障兩種[2]。實際上，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，受到風力發(fā)電機組至升壓站線路、各級變壓器、故障點位置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落式，風力發(fā)電機組發(fā)電機機端電壓不會像并網(wǎng)點電壓跌落那么深。另外，風力發(fā)電機組匹配的箱式變壓器的聯(lián)結(jié)組別一般都選擇為Dyn11，這就造成了箱式變壓器高壓側(cè)出現(xiàn)短路、接地等各種故障時，受箱式變壓器阻抗影響，風力發(fā)電機組網(wǎng)側(cè)不會出現(xiàn)單相電壓跌落的現(xiàn)象[2]。

2 低電壓穿越的作用及要求

2.1 低電壓穿越的作用

低電壓穿越能力（LVRT），是指當電網(wǎng)電壓下降到一定數(shù)值時，風電機組能夠不脫網(wǎng)連續(xù)運行，且能夠向電網(wǎng)提供一定的無功輸出，幫助電網(wǎng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常值的一種能力。如果風電機組不具備低電壓穿越能力，那么當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)故障時，風電機組出現(xiàn)大面積脫網(wǎng)，將會對電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定造成沖擊，甚至將造成其他運行機組與電力系統(tǒng)解列，使得事故擴大，造成毀滅性打擊[1]。

2.2 低電壓穿越的要求

根據(jù)《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）要求，電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時，若風電場并網(wǎng)點考核電壓在下圖中電壓輪廓線及以上區(qū)域時，各風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，否則風電機組自動與系統(tǒng)解列。且有如下要求：

風力發(fā)電機組低電壓穿越能力

1）風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms的能力。

2）風力發(fā)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行[1]。

3 電網(wǎng)故障期間風力發(fā)電機組解列的危害

3.1 風力發(fā)電機組的自我保護

通過研究《金風2.0MW機組主控系統(tǒng)故障解釋手冊》可以得知，一臺2.0MW金風機組可能會產(chǎn)生410條故障類型，其中會造成機組解列停機的有200余條。而電網(wǎng)發(fā)生故障時，造成風機的停機故障多為緊急停機，此時風力發(fā)電機組槳葉將以7°/s向90°快速關(guān)閉，在這個過程中風力發(fā)電機組會出現(xiàn)電氣輸出和機械輸入功率不匹配，產(chǎn)生較大的扭矩，而且故障過程中產(chǎn)生的大電流、高電壓會導(dǎo)致發(fā)電機的相關(guān)電子器件的使用壽命大大縮短，經(jīng)常需要更換。同時還有可能損壞機械部件。這些故障停機往往很難進行遠方上位機復(fù)位，需要維護人員就地進行復(fù)位，造成發(fā)電量損失[3]。

3.2 風機大面積脫網(wǎng)的危害

通過前文論述已得知，目前我國風電在全國各省份電力系統(tǒng)裝機容量中占比逐年增大，那么在內(nèi)蒙古、新疆等風電裝機占比較大的省份，如出現(xiàn)風電機組大面積脫網(wǎng)事故，將會增加整個電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能會使得故障擴大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)其他正常運行機組解列。所以風力發(fā)電機組低電壓穿越能力的研究就顯得十分必要了。

4 直驅(qū)型風力發(fā)電機組的主要低電壓穿越技術(shù)

直驅(qū)型風力發(fā)電機組主要由風機葉輪、輪轂、永磁同步發(fā)電機（PMSG）、直流系統(tǒng)、全功率變流器等部分組成。其中，全功率變流器由機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器組成，機側(cè)變流器對PMSG進行控制，實現(xiàn)有功、無功的解耦控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);網(wǎng)側(cè)變流器控制機組并網(wǎng)、直流系統(tǒng)電壓控制，輸出有功、無功的解耦控制。直流系統(tǒng)中存在由功率元件和卸荷電阻組成的卸荷電路，主要用于電網(wǎng)故障條件下保持直流母線電壓穩(wěn)定。

對于直驅(qū)型風力發(fā)電機組，當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落至一定值時，網(wǎng)側(cè)變流器會出現(xiàn)過電流，此時為了降低電流的大小，機組槳葉會向大角度轉(zhuǎn)動，但此時機側(cè)變流器因PMSG發(fā)出的電能，就會造成直流母線過電壓，也就是機側(cè)變流器的輸出能量與網(wǎng)側(cè)變流器的輸出能量不平衡引起的。通常在輸入風能不突變的情況下，主控系統(tǒng)檢測到機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器輸出能量不平衡時，將傳輸變槳信號至風機槳葉，最終使得機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器輸出能量匹配。而這種情況多數(shù)發(fā)生在電網(wǎng)電壓跌落等故障時，直流母線電壓將以卸荷電路卸掉多余的電荷，從而保持直流系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定。

5 低電壓穿越技術(shù)的發(fā)展方向

通過以上對直驅(qū)型風力發(fā)電機組低電壓穿越能力的分析，并結(jié)合風力發(fā)電廠實際運行經(jīng)驗，預(yù)計今后在直驅(qū)型風力發(fā)電機組低電壓穿越能力方面會就以下幾個方面展開研究：

1）直流系統(tǒng)卸荷電路采取更好的卸荷電阻及功率元件，在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落等故障時，快速降低直流母線電壓，從而保證風機不脫網(wǎng)連續(xù)運行，并能夠向系統(tǒng)輸出一部分無功功率。

2）采取優(yōu)化控制策略，使風機槳葉變槳速度更快，滿足機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流系統(tǒng)輸出電能快速匹配，從而實現(xiàn)低電壓穿越。

3）研究在電網(wǎng)故障下的相關(guān)的電子穩(wěn)壓裝置和快速無功補償裝置，幫助穩(wěn)定風機網(wǎng)側(cè)電壓，使機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流系統(tǒng)不會產(chǎn)生很大的偏差，避免機組快速脫網(wǎng)，給予風力發(fā)電機組調(diào)節(jié)和輸出無功的時間。

6 結(jié)語

隨著以直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機為主體的大型風力發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，提高直驅(qū)型風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力對于電網(wǎng)的安全運行顯得至關(guān)重要，電力系統(tǒng)也對風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的連續(xù)運行能力提出了具體要求。因此，提高低電壓穿越能力將是未來科技研究的重點。本文對直驅(qū)型發(fā)電機組在低電壓穿越能力方面的表現(xiàn)、研究及發(fā)展方向進行了綜合闡述。

參考文獻：

[1]中國新能源網(wǎng).《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T19963-2011）2015（07）：08-10

[2]楊俊華.電力系統(tǒng)故障分析方法探究[J].技術(shù)與市場，2012（12）：75-75

[3]李建林，胡書舉，孔德國，許洪華.全功率變流永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2018（10）：92-95