關于風電場低電壓穿越問題

1、關于風電場低電壓穿越問題 主講:賈護民 低電壓穿越 低電壓穿越：當電網(wǎng)故障或擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓 跌落時，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風電機組能夠不間斷并網(wǎng) 運行。 一、風電場低電壓穿越要求 1、基本要求 2、不同故障類型的考核要求 3、有功恢復 4、動態(tài)無功支撐 低電壓穿越網(wǎng) 英文:Low voltage ride through 縮寫: LVRT 低電壓穿越（LVRT），指在風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落 的時候，風機能夠保持低電壓穿越 并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電 網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個 低電壓時間(區(qū)域)。LVRT是對并網(wǎng)風機在電網(wǎng)出 現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的

2、一種特定的運行功能 要求。不同國家(和地區(qū))所提出的LVRT要求不盡 相同。目前在一些風力發(fā)電占主導地位的國家， 如丹麥、德國等已經(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運行準 則，定量地給出了風電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件（如最低 電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間），只有當電網(wǎng)電 壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力發(fā)電機脫網(wǎng)， 當電壓在凹陷部分時，發(fā)電機應提供無功功率。 這就要求風力發(fā)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越 （LVRT）能力，同時能方便地為電網(wǎng)提供無功功 率支持，但目前的雙饋型風力發(fā)電技術是否能夠 應對自如，學術界尚有爭論，而永磁直接驅(qū)動型 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已被證實在這方面擁有出 色的性能。 1、基本要求 對于風電裝機容量

3、占其他電源總?cè)萘勘壤笥?%的省 （區(qū)域）級電網(wǎng)，該電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)運行的風電場應具有低電 壓穿越能力。 風電場低電壓穿越要求風電場低電壓穿越要求 a) 風電場內(nèi)的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓 跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行 625ms的能力； b) 風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能 夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機 組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。 2、不同故障類型的考核要求 對于電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障的情況，對風電場低電 壓穿越的要求如下： a) 當電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時， 風電場并網(wǎng)點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi) 時，場內(nèi)風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運

4、行；風電場并網(wǎng) 點任意相電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內(nèi)風 電機組允許從電網(wǎng)切出。 b) 當電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，風電 場并網(wǎng)點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時， 場內(nèi)風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任 意相電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內(nèi)風電機 組允許從電網(wǎng)切出。 c) 當電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障引起并網(wǎng)點電壓 跌落時，風電場并網(wǎng)點各相電壓在圖中電壓輪廓 線及以上的區(qū)域內(nèi)時，場內(nèi)風電機組必須保證不 脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任意相電壓低于或 部分低于圖中電壓輪廓線時，場內(nèi)風電機組允許 從電網(wǎng)切出。 3、有功恢復 對電網(wǎng)故障期間沒有切出電

5、網(wǎng)的風電場，其 有功功率在電網(wǎng)故障切除后應快速恢復，以至少 10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。 4、動態(tài)無功支撐 對于百萬千瓦（千萬千瓦）風電基地內(nèi)的風電場， 其場內(nèi)風電機組應具有低電壓穿越過程中的動態(tài)無功支撐 能力，要求如下： a) 電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動，機組出口電壓跌落處于額 定電壓的20%90%區(qū)間時，機組需通過向電網(wǎng)注入無功 電流支撐電網(wǎng)電壓，該動態(tài)無功控制應在電壓跌落出現(xiàn)后 的30ms內(nèi)響應，并能持續(xù)300ms的時間。 b) 機組注入電網(wǎng)的動態(tài)無功電流幅值為：K(1.0- Vt)In。 In為機組的額定電流；Vt為故障區(qū)間機組出口電壓 標幺值；Vt=V/Vn,其中V為機組

6、出口電壓實際值，Vn為機 組的額定電壓，K2。 二、機組造價影響 風電機組低電壓穿越（LVRT）能力的深度對機組造價影 響很大,根據(jù)實際系統(tǒng)對風電機組進行合理的LVRT能力設 計很有必要。對變速風電機組LVRT原理 進行了理論分析, 對多種實現(xiàn)方案進行了比較。在電力系統(tǒng)仿真分析軟件 DIgSILENT/PowerFactory中建立雙饋變速風電機組及 LVRT功能 模型。以地區(qū)電網(wǎng)為例,詳細分析系統(tǒng)故障對風 電機組機端電壓的影響,依據(jù)不同的風電場接入方案計算 風電機組LVRT能力的電壓限值,對風電機組進行合理的 LVRT能力設計。結果表明,風電機組LVRT能力的深度主要 由系統(tǒng)接線和風電場接入

7、方案決定，設計風電機組LVRT 能力時,機組運行曲線的電壓限值應根 據(jù)具體接入方案進 行分析計算。 三、解決方法 需要改動控制系統(tǒng)，變流器和變槳系統(tǒng)。我國的標 準將是20%電壓，625ms，接近awea(american wind energy association)美國風能協(xié)會的標準。 針對不同的發(fā)電機類型有不同的實現(xiàn)方法，最早采 用也是最普遍的方案是采用CROWBAR,有的已經(jīng)安裝在 變頻器之中，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選擇低電壓穿越能力的 大小，即電壓跌落深度和時間，具體要求根據(jù)電網(wǎng)標準要 求。 風電制造商采用得較多的方法，其在發(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

8、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， 以此來維持發(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）。也就是在變流器的輸出側(cè)接一旁 路CROWBAR，先經(jīng)過散熱電阻,再進入三相整流橋,每一 橋臂上為晶閘管下為一二極 管，直流輸出經(jīng)銅排短接.當 低電壓發(fā)生后,無功電流均有加大，有功電流有短時間的 震蕩，過流在散熱電阻上以熱的形式消耗,按照不同的標 準，能堅持的時間要 根據(jù)電壓跌落值來確定。當然，在 直流環(huán)節(jié)上也要有保護裝置.詳細就不討論.具體的討論再 聯(lián)系。

9、FRT的實物與圖片可供大家參考。但是大家所提到 的FRT只是老式的,新式是在直流環(huán)節(jié)有保護裝置，但輸出 側(cè)仍是無源CROWBAR。 crowbar觸發(fā)以后，按照感應電動機來運行，這個 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?，F(xiàn)在LVRT能提供電網(wǎng)支撐的風機很少，這個是 LVRT最高的level。德國已經(jīng)制定標準了。最后還是得增 加轉(zhuǎn)子變頻器的過流能力。 另外，控制系統(tǒng)要嵌入動態(tài)電壓暫降補償器，當有 暫降時瞬時將電壓補償上去，先保住控制系統(tǒng)不跳。ABB 號稱采用了一種ACtive CROWBAR來實現(xiàn)低壓穿越功能。 四、規(guī)?；r低電壓穿越 金風科技于10月下旬率先在國內(nèi)通過

10、規(guī)?；r條 件下的低電壓穿越測試。此舉印證了直驅(qū)永磁的天然并網(wǎng) 優(yōu)勢，將有力推動金風科技全面打造“電網(wǎng)友好型”產(chǎn)品， 進一步為客戶發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造價值。 本次測試地點位于甘肅瓜州自主化示范風電場，項 目裝機總?cè)萘繛?0萬千瓦，全部采用了金風科技1.5MW 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組。測試之前，金風科技在一天之內(nèi) 即完成對全部參測22臺機組的低電壓穿越升級改造。10月 22日，在西北電網(wǎng)甘肅瓜州東大橋變電站330kV人工單相 短路試驗條件下，有19臺機組在大風滿發(fā)工況下成功實現(xiàn) 不對稱低電壓穿越，一次性通過比例高達86.4%。電網(wǎng)和 投資商對此次測試結果表示了一致認可。 低電壓穿越是當電網(wǎng)故障或擾動引起風

11、電場并網(wǎng)點 電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風力發(fā)電機組能 夠不間斷并網(wǎng)，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。在此之前，金 風科技已于2010年6月在德國通過由Windtest驗證的低電 壓穿越測試，并于2010年8月在國內(nèi)通過由中國電力科學 研究院驗證的低電壓穿越測試。 本次測試則是國內(nèi)首次由數(shù)十臺機組在實際運行條 件下進行的工況測試，因此測試數(shù)據(jù)也更加具有實際應用 價值和普遍說服力。 五、相關信息 新的電網(wǎng)規(guī)則要求在電網(wǎng)電壓跌落時，風力發(fā)電機能像傳 統(tǒng)的火電、水電發(fā)電機一樣不脫網(wǎng)運行，并且向電網(wǎng)提供 一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)電壓恢復，從 而“穿越”這個低電壓時期(區(qū)域)，這就是低電壓

12、穿越 (LVRT) 雙饋風電機組低壓穿越技術的原理：在外部系統(tǒng)發(fā)生短路 故障時，雙饋電機定子電流增加，定子電壓和磁通突降， 在轉(zhuǎn)子側(cè)感應出較大的電流。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器直接串連在轉(zhuǎn) 子回路上，為了保護變流器不受損失，雙饋風電機組在轉(zhuǎn) 子側(cè)都裝有轉(zhuǎn)子短路器。 當轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過設定值一定時間時，轉(zhuǎn)子短路器 被激活，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器退出運行，電網(wǎng)側(cè)變流器及定子側(cè) 仍與電網(wǎng)相連。一般轉(zhuǎn)子各相都串連一個可關斷晶閘管和 一個電阻器，并且與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并聯(lián)。電阻器阻抗值不 能太大，以防止轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過電壓，但也不能過小，否 則難以達到限制電流的目的，具體數(shù)值應根據(jù)具體情況而 定。外部系統(tǒng)故障清除后，轉(zhuǎn)子短路器晶閘管關

13、斷，轉(zhuǎn)子 側(cè)變流器重新投入運行。在定子電壓和磁通跌落的同時， 雙饋電機的輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩下降，如果此時風機機械 功率保持不變則電磁轉(zhuǎn)矩的減小必定導致轉(zhuǎn)子加速，所以 在外部系統(tǒng)故障導致的低電壓持續(xù)存在時，風電機組輸出 功率和電磁轉(zhuǎn)矩下降，保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的轉(zhuǎn)子短路器投 入的同時需要調(diào)節(jié)風機槳距角，減少風機捕獲的風能及風 機機械轉(zhuǎn)矩，進而實現(xiàn)風電機組在外部系統(tǒng)故障時的 LVRT功能。 目前，風力發(fā)電技術領先的國家，如丹麥、德國、 美國已經(jīng)相繼定量的給出了風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越的 標準。圖為美國電網(wǎng)LVRT標準，從圖中曲線可以看出:曲 線以上的區(qū)域是風電場需要保持同電力系統(tǒng)連接的部分， 只有在曲

14、線以下的區(qū)域才允許脫離電網(wǎng)。風電場必須具有 在電網(wǎng)電壓跌落至額定電壓15%能夠維持并網(wǎng)運行625ms 的低電壓穿越能力;風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落故障后 3s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng) 運行。只有當電力系統(tǒng)出現(xiàn)在曲線下方區(qū)域所示的故障時 才允許脫離電網(wǎng)。 另外，控制系統(tǒng)要嵌入動態(tài)電壓暫降補償器，當有 暫降時瞬時將電壓補償上去，先保住控制系統(tǒng)不跳。ABB 號稱采用了一種ACtive CROWBAR來實現(xiàn)低壓穿越功能。 電隨著風力發(fā)電規(guī)模和風電機組單機容量不斷增大， 要求大型風電機組具有低電壓穿越能力，因此需要研究三 相對稱故障下雙饋風力發(fā)電機控制方法。在電網(wǎng)電壓突然 跌落時，由于雙饋發(fā)電機中的電磁耦合關系，在定轉(zhuǎn)子中 感應出過電壓過電流，為保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，需要通過 cnowbar來短路雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子。針對傳統(tǒng)的passive crowbar的不足，采用active crowbar電路的控制方法。當 電網(wǎng)故障造成雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)予過流時，開啟active crowbar電路來旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變換器。當轉(zhuǎn)子電流下降到一 定程度時斷開crowbar，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器恢復工作，此時雙 繢電機可以