双馈式风电机组低电压穿越能力检测及分析

第47卷第6期2013年6月电力电子技术POWERELECTRONICSV0147NO6JUNE2013双馈式风电机组低电压穿越能力检测及分析陈兵，李群，袁晓冬江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211100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DFIGIRT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；现场检测中图分类号TM315文献标识码A文章编号1000100X201306005403DETECTIONANDANALYSISOFLOWVOLTAGERIDETHROUGHCAPABILITYFORDFIGCHENBING，LIQUN，YUANXIAODONGJIANGSUELECTRICPOWERCOMPANYRESEARCHINSTITUTE，NANJING211100，CHINAABSTRACTTHEEFFECTIVEDETECTIONOFLOWVOLTAGERIDETHROUGHLVRTCAPACITYOFWINDTURBINESISTHEPREMISETOPREVENTLARGESCALEWINDTURBINESFROMTHEGRIDANDENSUREGRIDSECURITYANDSTABILITYACCORDINGTOCOMMONLYUSECROWBARCIRCUITTOACHIEVELVRTCAPACITYOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIG，THISPAPERINDEPTHRESEARCHESITSDETECTIONPROCESSANDPARAMETERSSETTING，ANDSIMULATESDTHREEPHASEANDTWOPHASESHORTCIRCUITFAULTSCONDITIONSBASEDONFIELDTESTINGFORLVRTCAPACITYOFDFIGSELECTEDWINDFARMTHEVALIDITYOFDETECTIONPROCESSANDRESULTSISVERIFIEDKEYWORDSDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR；LOWVOLTAGERIDETHROUGH；FIELDDETECTION1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IL_，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DFIGLVRT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。2LVRT标准及要求风电机组LVRT是指当电网故障或扰动引起定稿日期20130104作者简介陈兵1977一，男，博士，高级工程师，研究方向为电能质量分析、新能源并网技术、高压直流输电等。54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F51。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。3E删土爱撒图1各国对风电机组LVRT能力的要求FIG1REQUIREMENTSFORLVR1CAPABILITYOFWINDTURBINESOFDIFFERENTCOUNTRY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150MS和625MS且要求在15S和3S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625MS，500MS和100MS，并分别在2S，1S，750MS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，其有功功双馈式风电机组低电压穿越能力检测及分析率在电网故障清除后应快速恢复以至少10PJS尸N为额定功率的功率变化率恢复至故障前的值。3DFIGLVRT检测方法31LVRT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。32LVRT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35KV6MVA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35KV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和短路电抗器来实现箱变高压侧电压跌落跌落深度H取决于系统阻抗及以，及H计算式为HXX。1变流器图2DFIG的LVRT检测示意图网FIG2DETECTIONDIAGRAMOFLVRTCAPABILITYFORDFIG可见，改变，可实现多种组合，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X，X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20MS。4DFIGLVRT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95PN时对某风电场DFIGLVRT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15MW，机端出口电压690V。风机采用在转子侧装CROWBAR电路实现LVRT。如图2所示。将35KV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625MS，以确定和。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620MS，电压跌落瞬间最大瞬时电流达运行电流的25倍。故障解除后电流恢复时间935S。功率恢复速率约77KWS，即513PJS。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512。持续时间约622MS。短路相最大瞬时电流达到运行55第47卷第6期2013年6月电力电子技术POWERELECTRONICSVO147NO6JUNE2013电流的35倍，故障解除后电流恢复时间1O98S，功率恢复速率436PJS。蔓|6震嚣要LLI。芰卿量0L一08I12I416L8FSA1相电鹾、电流0302O1OL时刻BA相电压、电流有效值曲线障时风机侧波形SHORTCIRCUITFAULTCONDITIONOHF刻BAH电压、电流有效使曲线图4两相相问不对称故障时风机侧波形FIG4WAVEFORMSOFTWOPHASESHORTCIRCUITFAULTCONDITION5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。参考文献1】操瑞发，朱武双馈式风力发电系统低电压穿越技术分析J1电网技术，2009，33972772姚俊，廖勇，庄凯电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略【J电力系统自动化，2009，33129196【3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，2007，2210173177【4】MORRENJOHAN，DEHAANSJOERDWHRIDETHROUGHOFWINDTURBINESWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDURINGAVOLTAGEDIPJIEEETRANSOILENERGYCONVERSION，2005，202435441【5国家电网公司企业标准QGDW3922009G电场接入电网技术规定S】20096向大为，杨顺昌，冉立电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略【J】中国电机工程学报，2006，2631641707】张兴，张龙云，杨淑英风力发电低电压穿越技术综述【J电力系统及其自动化学报，2008，20218上接第40页些噪声会对电能质量及电能质量的分析效果产生很大干扰L8】。双级系统能较好地完成跟踪功能，将直流侧输出稳定在期望范围内但明显伴有噪声带有内阻匹配的光伏系统同样完成了跟踪功能，且直流侧输出比较平稳。由图5可知，双级系统的并网电流曲线存在明显的噪声单级系统曲线更为平滑。设计的环节起到了一定作用。参考文献9】整定实验参数为太阳能板额定功率60W，211V，385A，400IXF，L5MH，C1300F，US20V，20HZ，实验获得了良好的波形曲线。5结论以往DCDC电路的拓扑结构和调制技术并不能消除或明显减弱噪声，为此制作了带有半导体电阻参数特性的模块，该模块不同于传统的纯数学模块，可模拟光伏电池的电阻特性。利用加入的电阻匹配环节替代双级系统中的DCDC环节不仅节省了成本，还提高了单级系统对直流侧电流的调整效果，该并网系统在降低噪声与功率跟踪方面都有提高，仿真和实验证明该方法有效。56参考文献1】孙自勇，宇航，严干贵，等基于PSCAD的光伏阵列和MPPT控制器的仿真模型【J1电力系统保护与控制，2009，37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