雙饋式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力檢測及分析

摘要：對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)能力的有效檢測，是防止大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。針對目前雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組(DFIG)主要采用Crowbar電路來實(shí)現(xiàn)LVRT的解決方案，深入研究了該方案的檢測過程和參數(shù)設(shè)置，并基于對某風(fēng)電場DFIG LVRT能力的現(xiàn)場檢測，通過模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱故障和兩相相間不對稱故障，驗(yàn)證了檢測過程和檢測結(jié)果的有效性。
關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；現(xiàn)場檢測

1 引言
近年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)電并網(wǎng)容量所占供電比重迅速上升，風(fēng)力發(fā)電的間隙性、隨機(jī)性和不可控性，將給地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，特別是風(fēng)電機(jī)組是否具備LVRT能力，直接關(guān)系到大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，可能造成電網(wǎng)電壓和頻率崩潰，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組LVRT的研究主要集中在功能特性、控制策略等方面，而對LVRT能力的檢測技術(shù)及檢測結(jié)果要求等方面研究甚少。雖然當(dāng)前德國、丹麥等國家已制定了風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，規(guī)定了LVRT的要求，但對具體的檢測技術(shù)及方法的闡述很少。
這里基于對某風(fēng)電場DFIG LVRT的現(xiàn)場實(shí)測，研究了其檢測技術(shù)及要求，并在不同風(fēng)況下模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱故障和兩相相間不對稱故障，深入分析了風(fēng)電機(jī)組LVRT測試結(jié)果。

2 LVRT標(biāo)準(zhǔn)及要求
風(fēng)電機(jī)組LVRT是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)前各國根據(jù)實(shí)際情況提出的LVRT要求不同，圖1為各國對風(fēng)電機(jī)組LVRT的標(biāo)準(zhǔn)要求。

德國、美國規(guī)定電網(wǎng)電壓跌落深度在15％以內(nèi)要求風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，并能持續(xù)150 ms和625 ms，且要求在1．5 s和3 s后恢復(fù)至標(biāo)稱電壓的90％以上；中國、西班牙、丹麥規(guī)定電網(wǎng)電壓跌落深度在20％以內(nèi)要求風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，能持續(xù)625 ms，500 ms和100 ms，并分別在2 s，1 s，750 ms后恢復(fù)至標(biāo)稱電壓的90％，80％，75％以上，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線后才允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓跌落在凹陷部分內(nèi)，還需向系統(tǒng)提供一定的無功支持。我國制定的風(fēng)電機(jī)組LVRT標(biāo)準(zhǔn)要求相對適中，同時(shí)對有功功率恢復(fù)做了規(guī)定，對電網(wǎng)故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，以至少10％Pn／s(Pn為額定功率)的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

3 DFIG LVRT檢測方法
3．1 LVRT的實(shí)現(xiàn)
目前應(yīng)用較為成熟的方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowbar電路，該方法簡單有效、便于實(shí)現(xiàn)，且成本較低。Crowbar電路分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，由于被動(dòng)式電路不能在電網(wǎng)故障時(shí)提供電壓支撐，也不能在故障清除后立即恢復(fù)對電網(wǎng)供電，難以適應(yīng)新的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)則要求，許多風(fēng)機(jī)制造廠家均采用可關(guān)斷器件構(gòu)成的主動(dòng)式電路結(jié)構(gòu)。
LVRT實(shí)現(xiàn)需風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)、變流器控制系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)槳距角控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合控制，當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓跌落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)高電流超過設(shè)定值時(shí)，主控系統(tǒng)要求Crowbar電路投入，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器退出，網(wǎng)側(cè)變流器正常并網(wǎng)運(yùn)行，變流器控制系統(tǒng)執(zhí)行命令；隨后風(fēng)力機(jī)槳距角控制系統(tǒng)啟動(dòng)，以減小捕風(fēng)能力及機(jī)械轉(zhuǎn)矩；故障清除后，主控系統(tǒng)命令Crowbar電路退出，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器投入，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。目前，國內(nèi)風(fēng)電場大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的風(fēng)機(jī)、變流器、主控系統(tǒng)為不同制造商生產(chǎn)，需做到嚴(yán)密的配合控制，根據(jù)多次對風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測結(jié)果的分析，在風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測時(shí)，引起風(fēng)機(jī)跳機(jī)的主要原因集中在控制的配合上，特別是Crowbar動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流振蕩，不但會(huì)觸動(dòng)保護(hù)動(dòng)作引起跳機(jī)，同時(shí)也會(huì)影響齒輪箱、機(jī)械傳動(dòng)軸等機(jī)械部件的安全運(yùn)行和壽命，故要求在控制配合方面做到嚴(yán)密的邏輯順序和規(guī)劃，從而減小電流振蕩。此外，主控系統(tǒng)與各控制系統(tǒng)間的握手信號、信息傳遞等可靠性也直接影響到風(fēng)電機(jī)組LVRT的可靠實(shí)現(xiàn)。
3．2 LVRT檢測方法
在德國、丹麥、西班牙等風(fēng)電較發(fā)達(dá)國家，對風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測技術(shù)及裝置的研究已有一定基礎(chǔ)。而我國風(fēng)電正處于發(fā)展期，國家電網(wǎng)公司2009年頒布的《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》明確了對風(fēng)電機(jī)組LVRT的要求，國家能源局也于2011年7月發(fā)布了《防止風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)重點(diǎn)措施》，對已并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場機(jī)組LVRT抽檢和新并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測提出了強(qiáng)制性規(guī)定。目前，對風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測主要通過阻抗分壓、變壓器、電力電子變換3種方式實(shí)現(xiàn)，其中電力電子變換方式由于IGBT，GTO等開關(guān)器件容量的限制，仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研究階段，工程實(shí)踐應(yīng)用主要采用阻抗分壓方式，包括固定式和移動(dòng)式兩種類型。世界上首套35 kV／6 MVA晶閘管控制阻抗分壓式LVRT檢測裝置于2010年7月在中國國家風(fēng)電研究檢測中心某試驗(yàn)基地研制成功，該裝置能有效模擬電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)過程，并能模擬電網(wǎng)三相相間對稱故障和兩相相間不對稱故障。

移動(dòng)式LVRT檢測裝置主要針對風(fēng)電場并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組檢測，采用斷路器控制阻抗分壓式結(jié)構(gòu)，安裝于車載集裝箱內(nèi)部。以35 kV電壓等級移動(dòng)式LVRT檢測裝置為例，圖2示出風(fēng)電機(jī)組LVRT檢測示意圖，檢測裝置串接于箱變的高壓側(cè)，通過控制斷路器接入限流電抗器Xsr和短路電抗器Xsc來實(shí)現(xiàn)箱變高壓側(cè)電壓跌落，跌落深度h取決于系統(tǒng)阻抗Xs及Xsr，Xsc及h計(jì)算式為：
h=Xsc／(Xs+Xsr+Xsc) (1)
可見，改變Xsr，Xsc可實(shí)現(xiàn)多種h組合，以有效補(bǔ)償不同風(fēng)電場及等效系統(tǒng)阻抗引起的跌落深度偏差，跌落持續(xù)時(shí)間通過控制Xsr，Xsc投入和切除時(shí)間獲得，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測裝置跌落深度偏差為±5％，跌落時(shí)間、跌落持續(xù)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間的偏差為20 ms。

4 DFIG LVRT檢測結(jié)果分析
通過模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱和兩相相間不對稱故障，在95％Pn時(shí)對某風(fēng)電場DFIG LVRT進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，驗(yàn)證了檢測過程和結(jié)果的有效性。被檢風(fēng)機(jī)額定容量1．5 MW，機(jī)端出口電壓690 V，風(fēng)機(jī)采用在轉(zhuǎn)子側(cè)裝Crowbar電路實(shí)現(xiàn)LVRT。如圖2所示，將35 kV移動(dòng)式LVRT檢測裝置串接入箱變的高壓側(cè)，通過空載試驗(yàn)?zāi)M電網(wǎng)電壓跌落深度20％，持續(xù)時(shí)間625 ms，以確定Xsr和Xsc。
圖3為模擬三相相間對稱故障時(shí)的波形?？梢?，電壓最大跌落幅度約23％，持續(xù)時(shí)間約620 ms，電壓跌落瞬間最大瞬時(shí)電流達(dá)運(yùn)行電流的2．5倍，故障解除后電流恢復(fù)時(shí)間9．35 s，功率恢復(fù)速率約77 kW／s，即5．13％Pn／s。

圖4為模擬兩相相間短路故障時(shí)的波形?？梢?，發(fā)生短路故障的兩相電壓跌落幅度51．2％，持續(xù)時(shí)間約622 ms，短路相最大瞬時(shí)電流達(dá)到運(yùn)行電流的3．5倍，故障解除后電流恢復(fù)時(shí)間10．98 s，功率恢復(fù)速率4．36％Pn／s。

5 結(jié)論
這里在分析風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法的基礎(chǔ)上，研究了其檢測過程，并基于現(xiàn)場實(shí)測，通過模擬電網(wǎng)發(fā)生三相相間對稱故障和兩相相間不對稱故障，驗(yàn)證了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力檢測過程和結(jié)果的有效性。