趙煒，趙耀，楊俊，秦睿，董開松，鄭翔宇

（甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730050）

隨著風電在我國電力生產(chǎn)中所占的比例越來越大，大規(guī)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響日益受到重視。從圖1可以看出，在2009-2011年間我國的風電裝機容量以每年近40%的速度增加，截至2012年12月，我國新增安裝風電機組7 872臺，裝機容量12 960 MW；累計安裝風電機組53 764臺，裝機容量75 324.2 MW，累計裝機容量同比增長20.8%[1]。

圖1 2001-2012年中國新增及累計風電裝機容量（來源：中國風能協(xié)會CWEA）Fig.1 China’s newly installed newly installed and accumulative wind power capacity in 2011-2012（Source:China Wind Energy Association CWEA）

在風電裝機容量迅速增長的同時，我國風電并網(wǎng)標準制定相對滯后，初期建成并網(wǎng)的風電場設(shè)備質(zhì)量參差不齊，大多數(shù)風電機組不具備低電壓穿越能力（Low Voltage Ride-Through，LVRT），這就成為2011年多起風電機組集中脫網(wǎng)事故的主因[2-4]。低電壓穿越能力代表風電場對事故的反應(yīng)能力，是指當電力系統(tǒng)發(fā)生事故或擾動而引起并網(wǎng)點電壓跌落時，在指定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風電機組/風電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行[5]，風電機組的低電壓穿越能力是風電場具備低電壓穿越能力的基礎(chǔ)和必要條件。為了確認風電場是否具備低電壓穿越能力，從2011年底開始，全國風電裝機較多的省份陸續(xù)開始了風電機組的低電壓穿越能力現(xiàn)場檢測，通過檢測進行風電場涉網(wǎng)安全性整改和隱患治理工作。以甘肅酒泉風電基地為例，通過測試發(fā)現(xiàn)了風電機組在低電壓穿越方面的技術(shù)缺陷并提供給風電場及風機制造商進行有的放矢的改進，促進了設(shè)備整改，經(jīng)過整改酒泉地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平得到了明顯提高，未再發(fā)生風機大規(guī)模脫網(wǎng)事件。本文就低電壓穿越試驗及試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行總結(jié)歸納。

1 風電機組低電壓穿越能力測試

1.1 風電場低電壓穿越能力要求分析

風電機組的低電壓穿越測試主要依據(jù)的標準是《GB/T 19963—2011風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和《IEC 61400—21:2008 Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines》。國標中對風電場（風電機組）低電壓穿越的要求如圖2所示。具體要求可以歸納為4點[5]：

1）當風電場的并網(wǎng)點電壓跌落至20%的標準電壓時，風電機組應(yīng)該能夠不脫網(wǎng)并且持續(xù)運行0.625 s，并且在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)其并網(wǎng)點電壓能夠恢復到標準電壓的90%。

2）風電場的并網(wǎng)點的電壓跌落的故障類型包括：三相短路故障（如圖3）、兩相短路故障（如圖4）和單相接地故障。

3）從故障消除時起，風電機組的有功功率應(yīng)該能夠快速恢復到故障前的值，確保其速度為每秒10%的額定功率。

圖3 LVRT試驗測試中，風機中壓側(cè)三相電壓跌落波形Fig.3 Thethree-phasevoltagedrop waveform at themedium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

圖4 LVRT試驗測試中，風機中壓側(cè)兩相電壓跌落波形Fig.4 The two-phase voltage drop waveform at the medium pressure side of the wind turbine in the LVRT test

4）針對風電場動態(tài)的無功支撐能力的規(guī)定：裝機容量在百萬千瓦級規(guī)模以上的風電場群，低電壓穿越過程中應(yīng)該具有動態(tài)無功的支撐能力。具體要求見國標GB/T 19963—2011中9.4款[5]。

1.2 風電場低電壓穿越能力測試方法

風電場低電壓穿越能力測試的目的就是采用適當?shù)脑囼灧椒?，驗證風電場是否具有以上4個方面的低電壓穿越能力。

目前并網(wǎng)運行的風電場一般容量都在50 MW以上，大規(guī)模的風電場裝機可達300 MW以上；接入電壓都在110 kV以上。以現(xiàn)有技術(shù)水平，尚無法精確檢測風電場的低電壓穿越能力，目前較為通行的方法是通過單臺風電機組的低電壓穿越試驗驗證風電場的低電壓穿越能力。由于目前風電機組大多數(shù)采用三角形接法并網(wǎng)，電網(wǎng)的單相接地故障和兩項短路故障在風電機組箱變低壓側(cè)都反映為兩項短路故障，因此只測試風電機組三相短路（對稱跌落）和兩相短路故障（不對稱跌落）時的低電壓穿越能力。圖5是目前較為普遍采用的阻抗分壓式低電壓穿越測試裝置，測試基本過程就是利用該裝置，在風電機組并網(wǎng)點（一般是風機箱變高壓側(cè)，也稱為風電場中壓側(cè)）按照標準要求產(chǎn)生實際的對稱或不對稱電壓跌落，采集被測風電機組的響應(yīng)情況，以此作為判斷風電機組的低電壓穿越能力的依據(jù)。

圖5 阻抗分式測試設(shè)備原理圖Fig.5 Schematic of impedance fractional test equipment

測試過程按照國標（GB/T 19963—2011）和IEC標準（IEC 61400—21：2008）[6]的規(guī)定，對每臺機組在大功率（P>90%Pn）和小功率（10%Pn＜p＜30%Pn）工況下、分別進行三相及兩相電壓跌落測試，跌落深度為20%Ur，檢測驗證風電機組是否具備低電壓穿越能力。受檢機組連續(xù)兩次均穿越成功方可認為通過，若有一次穿越失敗即認為性能未達標。

圖4所示是試驗設(shè)備連接在風機是箱變35 kV高壓側(cè)，風機實際功率P＞風機額定功率Pn時，試驗設(shè)備模擬三相短路故障造成風機并網(wǎng)點線電壓跌落至額定電壓的20%，跌落持續(xù)時間0.625 s。

圖5所示是試驗設(shè)備連接在風機是箱變35 kV高壓側(cè)，風機實際功率P＞風機額定功率Pn時，試驗設(shè)備模擬兩相短路故障造成風機并網(wǎng)點兩相線電壓跌落至額定電壓的20%，跌落持續(xù)時間0.625 s。

圖6所示是風電機組低電壓穿越測試中，風機在大功率試驗工況（>90%Pn）下運行時，試驗設(shè)備模擬短路故障造成風機并網(wǎng)點線電壓跌落20%，電壓恢復后，風電機組有功功率在1 s內(nèi)恢復。

圖6 LVRT試驗測試中，中壓側(cè)有功功率和無功功率波形1Fig.6 The active and reactive power waveform 1 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

圖7 所示是風電機組的低電壓穿越實際測試中，風機在大功率試驗工況（>90%Pn）下運行時，試驗設(shè)備模擬短路故障造成風機并網(wǎng)點線電壓跌落20%，電壓恢復后，有功功率在7 s內(nèi)恢復。圖5和圖6的試驗測試均證明被測機組滿足國標對有功恢復的要求，試驗風機的額定功率為1 500 kW，按照標準從故障清除的時刻開始10 s內(nèi)應(yīng)恢復至跌前水平。

圖7 LVRT試驗測試中，中壓側(cè)有功功率和無功功率波形2Fig.7 The active and reactive power waveform 2 at the medium pressure side in the LVRT pilot test

2 測試中的風機故障

針對風電機組低電壓穿越能力的測試是對其整體低電壓穿越性能的測試，機組與電網(wǎng)電壓跌落有關(guān)的任何一方面不滿足要求，都有可能造成其在電壓跌落期間脫網(wǎng)。目前認為與風電機組低電壓穿越性能有密切關(guān)系的機組部件主要有3大類，即機組的主控系統(tǒng)、變流器、變槳系統(tǒng)等主要部件。這幾類部件是風機的主要部件，由于這些部件造成風電機組低電壓穿越期間脫網(wǎng)可以認為是機組的性能不滿足要求。除此3類部件之外，機組其他非關(guān)鍵性零部件發(fā)生故障或失效也有可能造成風電機組在低電壓穿越期間脫網(wǎng)，以下分別介紹測試過程中出現(xiàn)的這兩類原因造成的風電機組脫網(wǎng)案例。

2.1 風機性能不滿足要求

1）案例1 低電壓穿越過程中風電機組脫網(wǎng)

在酒泉地區(qū)某風場進行風電機組的低電壓穿越試驗過程中，測試大功率（P>90%Pn）工況時風機脫網(wǎng)，被測風機變流器報“變流器母線電壓高故障”。測試波形圖如圖8所示，圖中P為有功功率，Q為無功功率，曲線按照標幺值繪制。由此，可認定該機型（含被測風機變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等）低電壓穿越性能不滿足要求。后經(jīng)查明，測試時塔筒溫度達47.8℃，制動電阻因連續(xù)兩次滿功率深度跌落后溫度會升高，制動電阻溫度過高，使制動效率下降，導致出線直流母線過電壓故障。風機制造商根據(jù)測試數(shù)據(jù)及風機內(nèi)故障錄波數(shù)據(jù)進行了分析，提出了解決方案。

圖8 低電壓穿越過程中風電機組脫網(wǎng)波形Fig.8 The wind turbine generator off-grid waveform in the LVRRT process

2）案例2 有功恢復不滿足要求

在酒泉地區(qū)某風場進行風電機組的低電壓穿越試驗過程中，測試大功率（P>90%Pn）工況，風機在電壓跌落后有功開始恢復，如圖9在跌落后2 s恢復至跌前水平，但隨后有功功率又開始下降直至電壓跌落10 s后有功仍未恢復。認定該風機不滿足有功恢復時間的要求，低電壓穿越性能不達標。

圖9 低電壓穿越過程中有功恢復不滿足要求波形Fig.9 The waveform of the active power recovery which fails to meet the requirements in the LVRRT process

2.2 風機非關(guān)鍵零部件故障造成低電壓穿越能力不達標

低電壓穿越測試中風機零部件（不包括主控系統(tǒng)、變頻器、變槳系統(tǒng)等主要部件）出現(xiàn)意外故障也會導致測試過程中風機脫網(wǎng)[7-8]。

1）案例3 風電場一，雙饋型風電機組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試過程中機組脫網(wǎng)原因：UPS充電不完全，不足以維持低電壓穿越過程中風機與電網(wǎng)的連接。

被測風機在并網(wǎng)調(diào)試階段沒有嚴格核查UPS電源是否工作正常即投入并網(wǎng)運行。該型號風機在低電壓穿越功能改造時，采用AC220 V UPS穩(wěn)壓電源使得再電網(wǎng)電壓下降時，主回路各接觸器保持正常反饋信號，使風機與電網(wǎng)保持連接。采用主動式Crowbar承受轉(zhuǎn)子側(cè)大電流。通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的無功輸出使網(wǎng)側(cè)電壓提升，從而實現(xiàn)低電壓穿越的功能。可見，應(yīng)要求UPS電源在低電壓穿越過程中可靠穩(wěn)定供電。

2）案例4 風電場二，雙饋型風電機組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試過程中，風機報“變槳自主運行”，被測風機停機。經(jīng)檢查，停機因風機通訊滑環(huán)故障引起。

該機型發(fā)生故障的滑環(huán)位于輪轂和機艙的結(jié)合處，主要是為變槳系統(tǒng)提供動力電源以及保持主控和變槳系統(tǒng)的實時通訊。通過機械式滑針與滑道接觸，滑針在旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)上滑動，并在其旋轉(zhuǎn)過程中保持不間斷接觸。要實現(xiàn)電氣信號實時無誤地傳輸，靜止的滑針和旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)之間是金屬滑動接觸，長久運行會產(chǎn)生磨損，磨損產(chǎn)生的碎末和氧化物附著在滑道和滑針針頭表面，導致滑針與滑環(huán)接觸不良的現(xiàn)象。如果風機定期檢查維護不到位，在風機運行中，尤其是高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速來回波動大的情況時極易發(fā)生信號丟失，導致風機故障停機。

3）案例5 風電場三，雙饋型風電機組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

測試中機組報“齒輪箱高速軸超速”故障停機。

該故障為控制系統(tǒng)軟件超速保護，齒輪箱高速軸超速故障屬于主控系統(tǒng)告警信號，主控系統(tǒng)通過高速軸測速探頭實時檢測風力發(fā)電機組在運行過程中齒輪箱高速軸的轉(zhuǎn)速，提供風機超速保護的功能。造成該風機脫網(wǎng)的原因可能是在電壓跌落過程中由于風速極端不穩(wěn)定，上下波動很大；加上穿越過程中受到強烈震動造成測試傳感器數(shù)據(jù)丟失而引起。

由此可見，低電壓穿越功能不僅僅是主控和變頻器的技術(shù)改造，同時對風機的各相關(guān)部件制造水平和定期檢查維護也提出了更高的要求。

4）案例6 風電場四，雙饋型風電機組在低電壓穿越過程中脫網(wǎng)

低穿試驗中機組故障原因：機組報“齒輪箱軸承溫度過高”故障停機。經(jīng)檢查后，風機齒輪箱PT100溫度傳感器中的熱敏電阻接線松動，導致傳感器誤報。

3 結(jié)論及建議

3.1 通過分析低電壓穿越測試中風機發(fā)生的故障得出的結(jié)論

1）決定單臺風電機組低電壓穿越能力的因素不僅與風電機組的變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等部件有關(guān)，還與機組的其他零部件有關(guān)。

2）機組其它零部件不發(fā)生故障或失效，變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等相同的風電機組在低電壓穿越期間的表現(xiàn)應(yīng)相同，但現(xiàn)場實測結(jié)果表明通過模型試驗后機組的有關(guān)設(shè)備與向現(xiàn)場提供的有較大差異；所以確保產(chǎn)品的同一性和針對這些主要部件開展的現(xiàn)場低電壓穿越檢測具有實際意義與作用。

3.2 依據(jù)已有測試提出的相關(guān)建議

1）風電場每臺機組由于具體的運行歷史和維護工作不同，變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等一些設(shè)計上的缺陷可能會暴露出來，也有可能不被暴露；因此即便是同一型號的風電機組也在低電壓穿越期間表現(xiàn)出個體差異性，若發(fā)生區(qū)域電網(wǎng)擾動，電壓跌落程度較深，大量風電機組同時進入低電壓穿越過程時，同一型號的不同風機個體可能會有不同的響應(yīng)情況。因此，必須結(jié)合風機在全國各地應(yīng)用的情況，針對不同地區(qū)的特殊要求進行優(yōu)化設(shè)計，使其滿足當?shù)仉娋W(wǎng)的需要。

2）變流器、主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等滿足低電壓穿越要求的風電機組，也有可能因其他非關(guān)鍵性零部件造成低電壓穿越期間的脫網(wǎng)故障，這些部件的發(fā)生故障或失效的原因有可能是制造廠家在設(shè)計中沒有考慮風電機組低電壓穿越要求，也有可能是由于風電場業(yè)主日常的維護不到位而導致的偶發(fā)性故障。因此建議制造廠家應(yīng)該將低電壓穿越能力的要求在風電機組設(shè)計中貫穿始終，對每個部件的設(shè)計都要考慮機組在低電壓穿越過程中的特殊要求。同時風電機組低電壓穿越能力的提高也要求風電場業(yè)主提高機組的運行和維護水平，加強部件保養(yǎng)。

3）國標（GB/T 19963—2011）僅要求百萬千瓦級的風電場在低穿期間具備無功支撐能力，對風電機組低穿期間的無功特性未作明確規(guī)定，對于風電場集群的無功特性也未作明確規(guī)定。建議盡快評估目前各類無功補償方式的效果，完善風電場在低穿期間提供無功支撐能力的標準，確保電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求，因此為推動技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級，開展參數(shù)實測與建模仿真的工作已刻不容緩。

[1]中國風能協(xié)會.2012年中國風電裝機容量[EB/OL].（2013-03-13）.http://www.cwea.org.cn/upload/20130313001.pdf．

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