风电场低电压穿越的现状及解决办法.docx

风电场低电压穿越的现状及解决办法王晓云（中国水利电力物资有限公司，北京市西城区复兴门外地藏庵南巷电研大厦 C 座，100045）The solution of low voltage ride-through for wind power plantWang xiaoyun(CWEME,Electric Research Building,No.1 Dizangan South Lane,Fuxingmenwai,Xicheng District, Beijing,100045)Abstract: we analyze the technology development,大型的产品供应商为牵头人进行自主研发，形成拥有自主知识产权的风机 LVRT 改造技术，以解决based on the requirement of china power network to低电压穿越问题。关键词： 风力发电 低电压穿越 双馈变速风电机the low voltage ride-through, and suggest majorsupplier as initiator to research and developindependently, then become the fans LVRTtransform technology it has its own self-ownedintellectual property rights to resolve the low voltageride-through problemsKey words： wind power plant; low voltageride-through; variable speed doubly fed windturbines摘要：基于中国电网对低电压穿越的要求出发，分析了国内目前 LVRT 的技术发展情况，提出了以一、序言现出来，这些问题能否切实解决，将直接近年来，随着国家政策对清洁能源的关系到我国风力发电的进一步发展。风电大力支持，风力发电发展迅猛，2009 年，机组的低电压穿越(low voltage我国风电新增装机容量 1380.3 万千瓦，增ride-through)，作为其中较为突出的问题，长率连续 6 年超过 100%，居世界第一。但近两年引起了电网公司、风力发电公司及是，由于我国风电起步较晚，随着风电装风机厂家的重视，国家电网公司在 2009 年机容量的不断提高，技术不够完善、风电印发的国家电网公司风电场接入电网技建设与电网规划不一致等问题，也逐渐凸术规定（修订版）中明确提出关于风电机组低电压穿越能力的规定，而吉林电力版）中，对风电场低电压穿越能力进行公司今年率先提出对已并网风电机组进行了明确的规定。低电压穿越改造，可以说该问题的解决已如附图 1 所示，风电场并网点电压在迫在眉睫。二、低电压穿越的概念图中电压轮廓线及以上区域内时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点低电压穿越(low voltage电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切入。ride-through，以下简称 LVRT)：当电网故障或者扰动引起风电场并网电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网发电。由于风电机一般采用异步发电机技术，电网发生故障时，机端电压难以建立，若风电机组继续挂网运行，将会影响到电网电压的恢复，因此，电网发生故障出现电压跌落时，一般都是采取切除风力附图 1 风电场低电压穿越要求规定发电机组的方法来处理。风电场低电压穿越要求为：但是，在风电装机容量较高的区域，（1）当风电场并网点电压跌至额定电压的高风速期间，由于输电网故障引起的大量20%时，场内风电机组应具备保持并网运风电切除会导致系统潮流的大幅度变化甚行 625 ms 的低电压穿越能力。至可能引起大面积停电，因此，随着接入（2）风电场并网点电压在发生跌落后 3 s电网的风力发电机容量的不断增加，电网内恢复至额定电压的 90%时，场内风电机对其要求越来越高，通常情况下要求发电组应能保持并网运行。机组在电网故障出现电压跌落的情况下不对于目前尚不具备低电压穿越能力且脱网运行（fault ride-through），并在故障已投运的风电场，国家电网要求各厂家积极开展机组改造工作，已具备低电压切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定穿越能力。LVRT 能力。三、中国电网对 LVRT 的要求此外，还规定故障期间没有切除电网的风电场，其有功功率在故障切除后快速2009 年，国家电网公司印发的国家电恢复，以至少 10%额定功率的功率变化/秒网公司风电场接入电网技术规定（修订的功率变化率恢复至故障前状态。四、目前 LVRT 技术的发展情况为了保证电网故障时双馈感应发电机目前，LVRT 作为业内的一个热点问及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应题，很多整机厂家和变流器厂家都在倾注新电网运行规则的要求，国内外学术界和大量精力和财力找解决方案。双馈式变速工程界对电网故障时双馈感应发电机的保恒频风电机组作为目前国内外风电机组的护原理与控制策略进行了大量研究。当前主流机型，应优先考虑解决双馈式变速恒的 LVRT 技术一般有三种方案：一种是采用频风电机组的 LVRT 问题。了转子短路保护技术（crowbar为了提高风电机组的 LVRT 能力，必protection），二种是引入新型拓扑结构，须针对双馈感应发电机的运行特点进行研三是采用合理的励磁控制算法。下面逐一究，研究它们在电网故障与故障恢复过程分析介绍。中的暂态行为，消除或减轻在不离网控制1转子短路保护技术情况下可能引起的机组损害。在电网电压这是目前一些风电制造商采用得较多跌落情况下，风电机组中的双馈感应发电的方法，其在发电机转子侧装有 crowbar机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈压升高，发电机励磁变流器的电流以及有感应发电机励磁变流器，同时投入转子回功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感路的旁路（释能电阻）保护装置,达到限制应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而的作用，以此来维持发电机不脱网运行会产生直流分量，由于积分量的减小，定（此时双馈感应发电机按感应电动机方式子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋运行）。转，会产生较大的滑差，这样便会引起转2 引入新型拓扑结构子绕组的过压、过流。如果电网出现的是除了上述 crowbar 技术外，一些文献不对称故障的话，会使转子过压与过流的还提出了一些新型低压旁路系统，这种结现象更加严重，因为在定子电压中含有负构与传统的软启动装置类似，在双馈感应序分量，而负序分量可以产生很高的滑发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电差。过流会损坏转子励磁变流器，而过压路。 在正常运行时，这些可控硅全部导会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧护发电机励磁变流器，采用过压、过流保可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的护措施势在必行。增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧此外，除了从单台风机的角度进行改励磁变流器选用电流等级较高的大功率造，让风机具有 LVRT 功能外，还有其他IGBT 器件，这样来保证变流器在电网故障的解决办法。国外目前应用的较多的办法时不与转子绕组断开时的安全。电网电压是在风电场汇流变电站使用 STATCOM 技跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达术产品进行风场并网点电压实时监控。应到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压用成熟 STATCOM 产品主要还是基于跌落严重时，为了避免电压回升时系统在IGBT 等大功率电力电子模块，以变流器为转子侧所产生的大电流，在电压回升以单元组成大容量且具短时有强过载能力的前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电整体解决方案。当然包括后台控制系统，路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流拥有 SCADA 综合通信控制系统等。五、改造方案比较总的来说，风机的 LVRT 技术，从理器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反论上来说难度不大，关键是成本较高。国并可控硅电路使定子与电网连接。这样可内的变流器厂家还是有拿出解决方案的，以减小对 IGBT 耐压、耐流的要求。对于比较可行，有实力的风机厂家自己在做样短时间内能够接受大电流的 IGBT 模块，机的逻辑、性能等测试，但是由于国内目可以减少双馈感应发电机的脱网运行时前为止还没有一个让大家信服的测试平间。转子侧大功率馈入直流侧会导致直流台、甚至权威的鉴定机构，因此，就算有侧电容电压的升高，而直流侧的耐压等级整机厂家或者变流器厂家宣传自己有依赖于直流侧电容的大小，因此直流侧设LVRT 性能，可是没有经过严格的测试和计 crowbar 电路，在直流侧安装电阻来做吸鉴定，很难让其客户（整机对业主、变流收电路，将直流侧电压限制在允许范围内。器对整机厂家）完全信服，相信这个测试3采用新的励磁控制策略和标准的问题在 2010 年最迟 2011 年就能从制造成本的角度出发，最佳的办法够解决。是不改变系统硬件结构，而是通过修改控然而，目前各风机厂家所提供的改造制策略来达到相同的 LVRT 效果：在电网方案一方面局限性比较大，另一方面费用故障时，使发电机能安全度越故障，同时偏高。如由大型的产品供应商牵头进行自变流器继续维持在安全工作状态。很多文主研发，利用其资金、规模、专业优势，献基于此类策略提出了自己的看法，并通形成拥有自主知识产权的风机 LVRT 改造过数值仿真等方法进行了初步的验证。技术，一方面能够大大降低改造成本另一方面也可通过承接其他风电公司的改造项而此次的研发模式，也能成为今后开发自目来收回成本。鉴于该项工作涉及大量的主风电技术的一个良好开端。硬件开发工作，因此，建议产品供应商整参考文献合风机厂家、专业院校的技术力量，组建1国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）专题研发团队，开展方案理论选取、建2闫广新、李江、张锋、晁勤，变速双馈风电机组低电压模、硬件研发、初步实验、现场试验等一穿越功能仿真. 电网与清洁能源. Vol.25 No.6系列研发工作，争取通过半年左右的努Jun.2009力，在国家电网 LVRT 测试标准出台之3 迟永宁.各国风电并网导则对低电压穿越的要求. 低电前，形成具备能够应用于现场风电机组的压穿越研讨会 2009年1月改造技术。4 Dr.Ing.Karl-Heinz Weck.低电压穿越要求及测试. 低六、结论风力发电行业的迅猛发展，必然会带电压穿越研讨会 2009年1月来由于技术和规划方面的一些问题。我国在大力发展清洁能源的同时，也在着力建设智能化电网，这些因素都要求风电行业在各方面不断完善。国家能源局目前已全面