高 凱，李勝輝，黃 旭，朱 鈺，宋保泉

(1．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

2011年，西北地區(qū)發(fā)生了多起由于風電機組缺乏低電壓穿越能力而造成的風電場大規(guī)模脫網(wǎng)事故。國家電網(wǎng)公司明確要求并網(wǎng)的風電機組必須具備低電壓穿越能力，因此需要對風電機組進行低電壓穿越測試［1－2］。

1 低電壓穿越測試

低電壓穿越測試分為低電壓穿越能力認證測試與低電壓穿越能力抽檢測試。前者是對風電機組制造廠家生產(chǎn)出來的某種機型做的型式試驗，為了驗證風電機組制造廠家生產(chǎn)出來的風電機組是否具備低電壓穿越能力。后者是在風電場的風電機組已經(jīng)具備低電壓穿越認證合格報告的基礎(chǔ)上，對風電機組進行抽樣試驗。因為影響風電機組的低電壓穿越特性有很多，如變頻器、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、撬棒電路 (crowbar)等，其中任意一項改變都可能影響風電機組的低電壓穿越特性，而且風電機組具有離散性，所以對風電場的風電機組進行低電壓穿越能力抽檢測試十分必要［1］。

1.1 低電壓穿越測試內(nèi)容

根據(jù)GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，風電機組在風電場并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落在低電壓穿越要求曲線上方時，風電機組應保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，圖1給出了低電壓穿越要求曲線。

圖1 低壓側(cè)低電壓穿越要求

風電機組的低電壓穿越能力認證測試必須由具備機關(guān)CNAS資質(zhì)的單位進行測試，目前中國電科院和遼寧電科院先后獲得了該CNAS資質(zhì)。我國風電機組的低電壓穿越能力認證測試內(nèi)容如下:在大功率輸出 (P≥90%)和小功率輸出 (10%≤P≤30%)2種工況下，對待測風電機組電壓跌落到90%、75%、50%、35%、20%時進行低電壓穿越能力驗證，每種情況連續(xù)做2次。對于低電壓穿越能力抽檢測試，只測試2種工況下電壓跌落到20%時風電機組的低電壓穿越能力。表1和表2給出了不同電壓跌落對應的時間和國家標準中不同故障類型考核電壓的內(nèi)容。

表1 不同電壓跌落對應的跌落時間

表2 風電場低電壓穿越考核電壓

圖2 低壓側(cè)低電壓穿越測試原理圖

1.2 低電壓穿越測試原理

根據(jù)IEC 61400－21(Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines)要求，電壓跌落應該由阻抗分壓的形式產(chǎn)生。串聯(lián)阻抗可以限制短路電流對電網(wǎng)的沖擊影響，并且串聯(lián)阻抗大小對風機沒有很明顯的暫態(tài)響應。在電壓跌落之前和之后，串聯(lián)阻抗可以連接一個旁路開關(guān)，電壓跌落依靠并聯(lián)阻抗連接的短路開關(guān)產(chǎn)生。

目前，世界上有2種低電壓穿越測試設(shè)備，一種是中壓側(cè)低電壓穿越測試設(shè)備，另一種是低壓側(cè)低電壓穿越測試設(shè)備。這2種設(shè)備的基本原理相同，而且均在國外相關(guān)認證部門得到了認證，無論哪種設(shè)備都是對并網(wǎng)點電壓跌落的等效，在測試效果上基本沒有區(qū)別。圖2給出了低壓側(cè)低電壓穿越測試設(shè)備的原理圖。

2 低電壓穿越測試中相關(guān)參數(shù)的選擇

2.1 短路容量的選擇

我國相關(guān)標準中均未給出短路容量限定值。國外風電發(fā)展較快的國家對低電壓穿越測試時短路容量都有明確的要求，要求短路容量是風機容量的3倍或3倍以上，有的國外檢測認證機構(gòu)建議選到5～10倍。遼寧電科院曾對國內(nèi)外的風電機組做過不同短路容量下的低電壓穿越測試，測試結(jié)果顯示在相同工況、相同電壓跌落的情況下，短路容量越大，風電機組越容易實現(xiàn)低電壓穿越。

根據(jù)IEC 61400－21中的規(guī)定，低電壓穿越產(chǎn)生裝置中的串聯(lián)阻抗起限流作用，并且要求串聯(lián)阻抗大小對風電機組沒有很明顯的暫態(tài)響應。短路容量與串聯(lián)阻抗呈現(xiàn)反比例關(guān)系，短路容量越大，串聯(lián)阻抗越小;反之亦然。當串聯(lián)阻抗選擇過大時，就會影響風電機組的暫態(tài)響應，從而導致低電壓穿越失敗。根據(jù)實際測試經(jīng)驗，當短路容量設(shè)定為2倍以下、電壓跌落至50%以下時，風電機組的低電壓穿越能力往往受串聯(lián)阻抗影響比較大，出現(xiàn)切機的現(xiàn)象。在相同工況、相同電壓跌落的情況下，將短路容量設(shè)定為3倍以上后，被測風電機組低電壓穿越均可成功。

2.2 抽檢測試中跌落電壓的選擇

根據(jù)國家電網(wǎng)公司出臺的低電壓穿越能力抽檢管理辦法，每個并網(wǎng)的風電場要進行風電機組的低電壓穿越抽檢測試，每種機型抽選1臺進行測試，只測試2種工況下電壓跌落至20%時的低電壓穿越情況。根據(jù)已有的測試經(jīng)驗，抽檢只測電壓跌落至20%不能全面反映風電機組的低電壓穿越特性。有的風電機組在電壓跌落至20%通過而在測試電壓跌落至90%時失敗，原因是由于電壓跌落至90%臨界值時，風電機組的控制算法不夠準確導致穿越失敗;還有的風電機組在電壓跌落至50%和35%時，在低電壓穿越結(jié)束后，由于風電機組本身原因再次產(chǎn)生低電壓穿越。

由于目前具備低電壓穿越檢測設(shè)備和檢測能力的單位不多，低電壓穿越測試的周期也不好確定(需要在有功功率大于90%時進行測試)，故以現(xiàn)行的低電壓穿越能力抽檢管理辦法完成我國低電壓穿越測試工作將是一個長期的過程。風電機組具備低電壓穿越能力是保證電網(wǎng)安全運行的必要前提，現(xiàn)行的低電壓穿越能力抽檢管理辦法只是一個過渡，以后更規(guī)范的低電壓穿越能力抽檢管理辦法將應用到風力發(fā)電管理中。

2.3 轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)

目前一些風電制造商采用較多的方法是在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)裝有crowbar電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路的旁路 (釋能電阻)保護裝置，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行 (此時雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行)［2－3］。

目前比較典型的crowbar電路有如下幾種。

混合橋型crowbar電路，如圖3所示，每個橋臂由控制器件和二極管串聯(lián)而成。

圖3 混合橋型crowbar

可控硅型crowbar電路，如圖4所示，每個橋臂由2個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入1個可控硅和1個吸收電阻。

圖4 可控硅型crowbar

為更好地降低變流器直流側(cè)電壓，在直流側(cè)并接制動單元和制動電阻來消耗充電電容的電壓，可有效防止直流側(cè)過壓，如圖5所示。

圖5 直流側(cè)帶有制動單元的低壓穿越電路

保護電路有自身的缺點，如電網(wǎng)故障時，雖然勵磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組得到了保護，但此時按感應電動機方式運行的機組將從系統(tǒng)中吸收大量的功率，將導致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性進一步下降，而且一般的crowbar保護電路的操作會對系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。crowbar觸發(fā)以后，按照感應電動機來運行，只能保證發(fā)電機不脫網(wǎng)，而不能向電網(wǎng)提供無功，支撐電網(wǎng)電壓。

一般crowbar是通過可控硅控制導通、在電網(wǎng)出現(xiàn)故障、機端電壓瞬低時，為保護風機轉(zhuǎn)子，防止過流過壓，主控系統(tǒng)通過電流信號觸發(fā)可控硅導通，短接雙饋風機轉(zhuǎn)子，這時繞線式雙饋異步風機變成鼠籠式電機，能達到防止轉(zhuǎn)子過流過壓的作用，同時也能防止直流母線過壓。但是可控硅可以控制其導通，不能控制其關(guān)斷，因此一旦可控硅導通，就會將直流母線電壓釋放為0，此時變流器并不工作，因此目前很多變流器廠家使用了一種可以控制其導通，也可以控制其關(guān)斷的crowbar回路，國內(nèi)稱為有源 crowbar，國外稱為 active crowbar。有源crowbar構(gòu)成有多種，其中一種是多組IGBT+電阻串聯(lián)后再并聯(lián)的方式。由于IGBT可以由門極電壓信號來控制其開通關(guān)斷，通過控制IGBT的導通和關(guān)斷的時序時間，就可以實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定和發(fā)電機轉(zhuǎn)子不過壓過流，使發(fā)電機和電網(wǎng)保護連接 (見圖6)，同時附加設(shè)備動態(tài)支撐電壓并改進功率控制策略實現(xiàn)短時電壓跌落穿越功能。這些策略包括電壓跌落檢測技術(shù)、無功電流注入技術(shù)、無功電流分配控制技術(shù)、最大有功功率控制技術(shù)、雙環(huán)疊控技術(shù)、矢量Id和Iq可變控制技術(shù)、電壓恢復分段檢測技術(shù)和電壓不平衡補償控制技術(shù)等。

圖6 有源crowbar

勵磁變流器在電網(wǎng)故障期間，與電網(wǎng)和轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接，因而在故障期間和故障切除期間，雙饋感應發(fā)電機都能與電網(wǎng)同步運行。當電網(wǎng)故障消除時，關(guān)斷功率開關(guān)，便可將旁路電阻切除，雙饋感應發(fā)電機轉(zhuǎn)入正常運行。

2.4 低電壓穿越的有功功率恢復速度

目前，我國最新標準GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》只對風電場有故障消除后有功功率恢復速度有要求，對于單臺風電機組沒有明確的規(guī)定。借鑒國外的低電壓穿越測試方法，國內(nèi)的研究機構(gòu)可將此要求由風電場推廣到風電機組。對于單臺風電機組有利于風電場輸出功率的恢復。根據(jù)實際測試結(jié)果，風電機組有功功率恢復大致可以分為2類，第一類是按照一定速率恢復有功功率，如圖7所示;第二類是瞬間恢復有功功率，如圖8所示。

通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，對于單臺風電機組，瞬間恢復有功功率比按照一定速率恢復有功功率好，因為有功功率的瞬間恢復有助于風電機組完成低電壓穿越過程。同時，有些變流器廠家并不能實時監(jiān)控crowbar電路的儲能情況，就會造成在連續(xù)穿越測試時，crowbar電路由于儲能過大而損壞，因此變流器的軟件監(jiān)控應該進一步改進。同時主控變槳系統(tǒng)與變流器的配合尤為重要，既要滿足功率恢復速度，也要防止過快恢復給機組帶來的暫態(tài)沖擊，功率恢復過慢在大風速下有風輪超速的危險，容易造成切機，而為了防止風輪超速，變槳系統(tǒng)也會同時動作，使得功率恢復更加難以達到標準要求。

3 風電機組低電壓穿越能力管理

風電機組低電壓穿越測試是針對某一種機型(固定廠家和型號的變流器、主控系統(tǒng)等相關(guān)部件)的測試。風電機組任意部件的更換或參數(shù)的更改，都可能影響其低電壓穿越能力，嚴重的可能完全失去低電壓穿越能力。

風電機組的性能隨著科技發(fā)展不斷提高，而風電機組部件和參數(shù)設(shè)定暴露出來的問題也日趨顯現(xiàn)，這意味著風電機組的一些部件或主控、變流器的版本要進行升級。從目前國內(nèi)進行的低電壓穿越能力認證測試，絕大部分廠家都是邊改程序邊做認證，技術(shù)人員在修改參數(shù)時只簡單地考慮了低電壓穿越測試時參數(shù)的配置，忽略了參數(shù)對風電機組其它運行特性的影響。有的甚至在升級風電機組部件或主控、變流器的版本時，做了影響風電機組低電壓穿越能力的改動。

該問題需要發(fā)電企業(yè)配合電網(wǎng)公司共同解決，否則進行的低電壓穿越測試，無論是認證測試還是抽檢測試都會失去意義。發(fā)電企業(yè)應該對低電壓穿越抽檢后，對進行調(diào)整的風電機組做詳細記錄，然后上報調(diào)度部門，由調(diào)度部門審查是否有重新做低電壓穿越抽檢測試的必要。如沒有由科研單位出具分析報告，需要對風電場的風電機組重新進行低電壓穿越抽檢測試。調(diào)度部門應對已經(jīng)做過低電壓穿越抽檢測試的風電場進行備案，記錄其相關(guān)配置與參數(shù)，并制定定期核查計劃。

4 結(jié)論

a． 在進行風電機組低電壓穿越測試時，短路容量最好為風機容量的3倍或3倍以上。

b． 根據(jù)實際的測試情況，完善現(xiàn)行的低電壓穿越測試抽檢管理辦法，使抽檢的樣機更具代表性。

c． 針對風電場、風電基地，需要深入研究有功功率恢復速率的問題。

［1］ 張 興，張龍云．楊淑英，等．風力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述 ［J］．電力系統(tǒng)及其自動化，2008，20(2):1－8．

［2］ 操瑞發(fā)，朱 武，涂祥存，等．雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(9):72－77．

［3］ 李建林，許洪華．風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術(shù)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2009．