双馈式风电机组低电压穿越能力检测及分析

摘要：对风电机组低电压穿越(LVRT)能力的有效检测，是防止大规模风电机组从电网解列，保证电网安全稳定运行的前提。针对目前双馈感应发电机组(DFIG)主要采用Crowbar电路来实现LVRT的解决方案，深入研究了该方案的检测过程和参数设置，并基于对某风电场DFIG LVRT能力的现场检测，通过模拟电网发生三相相间对称故障和两相相间不对称故障，验证了检测过程和检测结果的有效性。
关键词：双馈感应发电机；低电压穿越；现场检测

1 引言
近年来，我国风力发电产业发展迅猛，特别是风力资源丰富的地区，风电并网容量所占供电比重迅速上升，风力发电的间隙性、随机性和不可控性，将给地区电网稳定运行带来隐患，特别是风电机组是否具备LVRT能力，直接关系到大规模风电机组从电网解列，可能造成电网电压和频率崩溃，严重威胁电网安全稳定运行。目前，国内外文献对风电机组LVRT的研究主要集中在功能特性、控制策略等方面，而对LVRT能力的检测技术及检测结果要求等方面研究甚少。虽然当前德国、丹麦等国家已制定了风电并网导则，规定了LVRT的要求，但对具体的检测技术及方法的阐述很少。
这里基于对某风电场DFIG LVRT的现场实测，研究了其检测技术及要求，并在不同风况下模拟电网发生三相相间对称故障和两相相间不对称故障，深入分析了风电机组LVRT测试结果。

2 LVRT标准及要求
风电机组LVRT是指当电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能保证不脱网连续运行。当前各国根据实际情况提出的LVRT要求不同，图1为各国对风电机组LVRT的标准要求。

德国、美国规定电网电压跌落深度在15％以内要求风电机组不脱网运行，并能持续150 ms和625 ms，且要求在1．5 s和3 s后恢复至标称电压的90％以上；中国、西班牙、丹麦规定电网电压跌落深度在20％以内要求风电机组不脱网运行，能持续625 ms，500 ms和100 ms，并分别在2 s，1 s，750 ms后恢复至标称电压的90％，80％，75％以上，只有当电网电压跌落低于规定曲线后才允许风机脱网，当电压跌落在凹陷部分内，还需向系统提供一定的无功支持。我国制定的风电机组LVRT标准要求相对适中，同时对有功功率恢复做了规定，对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少10％Pn／s(Pn为额定功率)的功率变化率恢复至故障前的值。

3 DFIG LVRT检测方法
3．1 LVRT的实现
目前应用较为成熟的方法是在转子侧加装Crowbar电路，该方法简单有效、便于实现，且成本较低。Crowbar电路分为主动式和被动式，由于被动式电路不能在电网故障时提供电压支撑，也不能在故障清除后立即恢复对电网供电，难以适应新的风电并网规则要求，许多风机制造厂家均采用可关断器件构成的主动式电路结构。
LVRT实现需风机主控系统、变流器控制系统、风力机桨距角控制系统间的协调配合控制，当电网故障或扰动引起风机机端电压跌落，导致转子侧高电流超过设定值时，主控系统要求Crowbar电路投入，转子侧变流器退出，网侧变流器正常并网运行，变流器控制系统执行命令；随后风力机桨距角控制系统启动，以减小捕风能力及机械转矩；故障清除后，主控系统命令Crowbar电路退出，转子侧变流器投入，系统恢复正常运行。目前，国内风电场大多数风电机组内的风机、变流器、主控系统为不同制造商生产，需做到严密的配合控制，根据多次对风电场风电机组LVRT检测结果的分析，在风电机组LVRT检测时，引起风机跳机的主要原因集中在控制的配合上，特别是Crowbar动作时会产生较大的电流振荡，不但会触动保护动作引起跳机，同时也会影响齿轮箱、机械传动轴等机械部件的安全运行和寿命，故要求在控制配合方面做到严密的逻辑顺序和规划，从而减小电流振荡。此外，主控系统与各控制系统间的握手信号、信息传递等可靠性也直接影响到风电机组LVRT的可靠实现。
3．2 LVRT检测方法
在德国、丹麦、西班牙等风电较发达国家，对风电机组LVRT检测技术及装置的研究已有一定基础。而我国风电正处于发展期，国家电网公司2009年颁布的《风电场接入电网技术规定》明确了对风电机组LVRT的要求，国家能源局也于2011年7月发布了《防止风电大规模脱网重点措施》，对已并网运行的风电场机组LVRT抽检和新并网风电机组LVRT检测提出了强制性规定。目前，对风电机组LVRT检测主要通过阻抗分压、变压器、电力电子变换3种方式实现，其中电力电子变换方式由于IGBT，GTO等开关器件容量的限制，仍停留在实验室样机研究阶段，工程实践应用主要采用阻抗分压方式，包括固定式和移动式两种类型。世界上首套35 kV／6 MVA晶闸管控制阻抗分压式LVRT检测装置于2010年7月在中国国家风电研究检测中心某试验基地研制成功，该装置能有效模拟电网电压跌落和恢复过程，并能模拟电网三相相间对称故障和两相相间不对称故障。

移动式LVRT检测装置主要针对风电场并网风电机组检测，采用断路器控制阻抗分压式结构，安装于车载集装箱内部。以35 kV电压等级移动式LVRT检测装置为例，图2示出风电机组LVRT检测示意图，检测装置串接于箱变的高压侧，通过控制断路器接入限流电抗器Xsr和短路电抗器Xsc来实现箱变高压侧电压跌落，跌落深度h取决于系统阻抗Xs及Xsr，Xsc及h计算式为：
h=Xsc／(Xs+Xsr+Xsc) (1)
可见，改变Xsr，Xsc可实现多种h组合，以有效补偿不同风电场及等效系统阻抗引起的跌落深度偏差，跌落持续时间通过控制Xsr，Xsc投入和切除时间获得，相关标准规定检测装置跌落深度偏差为±5％，跌落时间、跌落持续时间、恢复时间的偏差为20 ms。

4 DFIG LVRT检测结果分析
通过模拟电网发生三相相间对称和两相相间不对称故障，在95％Pn时对某风电场DFIG LVRT进行现场实测，验证了检测过程和结果的有效性。被检风机额定容量1．5 MW，机端出口电压690 V，风机采用在转子侧装Crowbar电路实现LVRT。如图2所示，将35 kV移动式LVRT检测装置串接入箱变的高压侧，通过空载试验模拟电网电压跌落深度20％，持续时间625 ms，以确定Xsr和Xsc。
图3为模拟三相相间对称故障时的波形。可见，电压最大跌落幅度约23％，持续时间约620 ms，电压跌落瞬间最大瞬时电流达运行电流的2．5倍，故障解除后电流恢复时间9．35 s，功率恢复速率约77 kW／s，即5．13％Pn／s。

图4为模拟两相相间短路故障时的波形。可见，发生短路故障的两相电压跌落幅度51．2％，持续时间约622 ms，短路相最大瞬时电流达到运行电流的3．5倍，故障解除后电流恢复时间10．98 s，功率恢复速率4．36％Pn／s。

5 结论
这里在分析风电机组低电压穿越标准和检测方法的基础上，研究了其检测过程，并基于现场实测，通过模拟电网发生三相相间对称故障和两相相间不对称故障，验证了风电机组低电压穿越能力检测过程和结果的有效性。