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摘要：风电的穿透功率和电网的安全性能是负相关的，故，在二者交接时，为了保证电力运行系统的稳定性，必须确保风电机组的技术达标，此外，机组的并网条件也更加严格，对于风电机组而言，低压穿越是其不可或缺的性能，倘若电压下降至某一维度，致使电网不能正常工作，风电场的并网电压也会随之降低，为保证风机不会脱落，低电压穿越功能便尤为重要，明确不同类型的风电机组在达到LVRT（Low Voltage Ride Through-LVRT）功能时所要求的技术措施，最后对低电压穿越过程进行探讨，简要讨论电压穿越功能所实现的工作流程。
关键词：风电场；风电机组；低电压穿越；功能研究
1引言
电网的稳定运行决定着电力系统的正常运转，日前，我国的风电并网大规模开展，并网电容量也日渐加大，一旦出现问题，损失极大，像中国的东北和西北两个区域，就曾因电网出现问题致使风电机组大规模撤除，这便致使了上百万的电力损失；还有，因为中国的风电机组的低压穿越技术不成熟，风电场和电力系统的交接无法在低压环境下顺利完成，近些年，电场脱机问题频频发生，损失巨大。关于风电并网这一问题，实际上，我国是有要求的：需做到低压穿越，这样一来，倘若发生电力故障亦或是低压情况，风电场仍可以运作，突破低压的阻力，确保并网的继续运行，从而维持电力系统的有效运转。
2风电机组低电压穿越研究现状
关于风电机组在低压环境下进行穿越的特点和性质，我国众多学者做过大量的研究，成果如下：一位学者指出，在实际情况下，对不同的母线发生三相短路问题进行剖析，通过观察记录临近的母线电压降低情况，进而总结归纳出风电机组需要在低压穿越时具备怎样的条件，与系统电气接线和风电场的接入方案联系紧密。还有学者对低压穿越功能和双馈异步风电机组之间的联系进行了调研，发现：低压穿越功能对风电并网的电能质量提升有显著作用。对于双馈风电机组而言，其低压穿越的方式大致有两种：一种是不增加硬件电路，另一种是增加硬件电路，接下来，本人将对这两种形式的调研成功进行归纳总结。不增加硬件电路时，主要是通过对双馈风电机组的控制来实现。有学者考虑定子磁化电流的动态过程，建立精确模型及相应的控制策略来减小暂态过电流。通过在转子电压方程中加入补偿项实时修正模型中的动态量以达到补偿效果，提高电压波动时的动态响应。有学者针对不对称故障引起的二次谐波设计了含有重复控制器的锁相环以滤除负序分量，提高能力。有学者指出故障过电流引起控制失败的原因在于常规线性控制策略的局限性，由此设计了非线性控制方案，提高了能力。为了削弱电压跌落时，定子磁链中直流分量及负序分量对转子电路的影响，有学者采用对磁链进行动态补偿控制的方案，即通过控制发电机的漏磁链以抵消定子磁链的变化对转子侧的影响。增加硬件电路的措施，最典型的就是利用电路。有学者在实验平台建立简化的低电压穿越系统，说明了电路能够抑制电机定、转子电路中的暂态交流分量，系统基本具有低电压穿越能力。有学者对比了多种电路各自的优缺点及多种旁路系统。有学者通过仿真详细研究了电网故障时交流励磁风电系统的运行行为，就电压跌落程度及旁路电阻取值对保护控制的影响及采用电路的系统运行特点进行了分析。有学者指出切除时会产生较大的电流振荡过程，这一状态的切换需要一定的逻辑顺序和相应的控制策略，否则会引起保护的再次动作。因此需要对两种状态之间的切换过程进行严密的逻辑规划，既照顾到有功功率和风力发电机转速的控制，又要兼顾到双馈电机无功功率的控制，以保证电网的稳定性。有学者对比了保护的一及控制措施，研究表明控制效果更好，并且在采用控制的基础上，电机的矢量控制加上故障清除后的电磁阻尼衰减措施，电压恢复会更加平滑。
3国家电网的低电压穿越要求
根据国家能源局2009[1465]号文的要求规定，风电机组运行要满足Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》的要求，关于对低压穿越的要求主要有四点：第一，当电压恢复正常后，对风电机组的有功功率是有具体规定的，在电网出问题的规定时间内，那些还在电网运作内的风电场，在问题排除后需及时恢复有功功率，这里所说的及时是指恢复速率为：每秒增加10%的额定功率直至恢复正常值。第二，在风电机组进行并网时，倘若电压稳定在90%之上，那么机组可持续正常运作。第三，在电压降低的这段时间内，对于机组的无功功率的支撑能力也是有详细要求的，在电力系统出现三相短路问题时，风电机组的并网电压便会下降，当电压降到高于额度的20%，低于90%时，这时风电场的无功支撑若是发挥作用，便有助于电压的有效恢复。详细来讲，即：风电机组并网处的电压出现单相亦或是单相故障，致使电压降低，该机组可以根据上述原理继续工作，防止脱网。此时，运行下降的最大电压是额定值的五分之一，对于机组的运行时间要求为大于等于0.625s。第四，电网故障如果可以在两秒内解决，电压恢复正常，那么，这段时间内，要求机组必须和电网相连，不能脱离。
4不同类型风电机组达到 LVRT 功能要求的技术措施
发电机有多种，普通异步电机的风电机组，其转速是固定不变的，因为静止无功补偿装置较为通用，故，风电机组的低压穿越也通常会选择无功补偿的形式，从而使得机组可以达到并网LVRT的要求。还有一种风电机组是双馈变速的，其自身就可满足LVRT的功能要求，一旦因为外因致使机组电压降低，该机组仍可维持风电场的有效运转，这类机组更加适合LVRT并网。
故，在完成对风电机组LVRT并网要求的同时，也加大了对风电场的投资，对于已经建成的风电场，应当合理的对风电机组的部分配件进行优良升级，从而确保可以实现LVRT低压穿越。
4.1双馈变速风电机组的LVRT原理
对于双馈变速风电机组而言，其转子和电网连接，靠的是PWM变流器，该变流器为背靠背形式的，调控电容和电压保持稳定的变流器位于电网的一边，此外，该变流器还为转子旁边的变流器供电。而转子旁的变流器则用来为转子绕组提供相位、幅值和可以改变频率的励磁电流，进而对机组的有功和无功两种功率输出进行调控。
系统外部发生短路故障时，双馈风电机组的电子电流增大，磁通和电子的电压突然下降，转子侧的感应电流增大，双馈风电机组为了维护转子侧的变流器，在转子侧安装了转子短路器，在转子侧设定允许的电流值，在一定时间内，若超过设定的电流值时，转子投入短路器，转子侧的变流器退出运行，此时电网侧的变流器仍然和电网连接，风电机组仍然可以并网正常运行。
由于系统外部发生故障造成低电压持续运行的情况下，双馈变速风电机组的控住过程主要为：（1）在转子侧的电流或直流电压超过设定的限值时，转子短路器旁路转子侧变流器，在这种情况下电网侧的变流器仍然可以通过变压器和电网进行连接。（2）此刻启动风机桨距角控制系统，减少风电机组捕获风能量，重新对风电机组端建立电压。（3）在清除完故障后，恢复机组端电压，转子侧的变流器恢复正常投入运行。
如若是转子这边的电流大小对其旁边的变流器不产生恶劣影响，那么转子断路器便不进行改变，转子边的变流工作仍正常开展，在此，如若是极端电压下降，为了确保LVRT的正常实现，可对风电机组进行调控，无需变动桨距角。
定子的电压和磁通与双馈电机的电磁转矩和输出功率的变化是呈现正相关的，倘若前者下降，后者也会是相同的变化规律。若不对机械负载进行改变，转子速率定会增加，故，若系统外出现问题，造成持续低压，不但要置入转子断路器，还要调控风机的浆距角，此举是为了降低风能的捕获能力，缩小风机机械转矩。
4.2对相关设备的软硬件进行技术改造
若想达到LVRT的效果，实现低压穿越，就需要对风电机组的部分配件进行改装，这里主要是指对其中三个地方进行整改：变流器系统、变桨系统和主控系统。
（1）变流器系统的低电压穿越
对变流器低电压穿越的软硬件进行改造，以上海电气高原型W1250为例，为了防止电网电压的波动和异常情况对22VAC交流控制回路和并网断路器造成影响，将变流器中原先使用的24VDC蓄电池改造为220VAC的UPS不间断电源。
电网出现电压跌落时，风电机组不能把发电机正常输送到电网，这样会使变流器母排的电压升高，最后会损害或使母排功率和电容模块出现异常，为了解决这一情况可以增加CHOOPER组件，利用CHOOPER组件来控制IGBT的通断和电阻型能量的回路泄放，以此来稳定直流母排的电压。
电网在出现低电压情况下，变流器控制机侧的逆变器灭磁，所以不能给转子提供励磁电流，由于发电机的定子不能输出，所以在发电机转子绕组上会产生很大的堵转电流，情况严重会损害转子绕组，为了解决这一情况，可以将风电机组转子侧无源的CROWBAR改造成有源的CROWBAR，利用CHOOPER组件来控制IGBT的通断和电阻型能量的回路泄放，以此来释放转子侧的能量。
另外对变流器CCU的控制板进行改造，将原先的变流器CCU控制模板进行升级，使变流器可以满足LVRT功能，另外还要同步对LVRT相关的配套控制板程序进行升级。通过同步升级LVRT相关的配套控制程序可以保证风电机组在发生低压故障情况下不发生脱网现象，还可以在电网恢复故障期间，为电网提供无功支持。对系统进行升级后，变流器系统需要增加一个“变流器低压穿越工作模式”，在进行工作时将此模式下的工作状态发送到主控系统，使两个系统之间可以协同工作。
（2）主控系统的低电压穿越
上海电气高原型W1250风电机组配置的主控系统为MITA WP3100，在主控系统的软件中已经集成了低电压穿越功能，此系统中不仅具备低电压穿越功能还具有低频率穿越、高电压穿越和高频率穿越功能，这些功能统称为FRT（Fault Ride Through）。
主控系统和变流器系统的协同合作完成对风电机组中电网电压、频率和电流的监测，主控系统的计算周期和变流器DSP芯片处理时间两者相对比发现，主控系统的计算周期相对比较慢，所以变流器可以更快检测到低电压跌落情况，然后变流器系统将“变流器低电压穿越模式”的信号传送给主控系统，从而实现主控系统和变流器系统之间的低电压穿越同步。
主控系统在接收到变流器系统传送的“流器低电压穿越模式”信号后，通过控制风轮桨叶进行收浆，来降低叶轮风能的吸收量，除此之外还可以控制风轮的转速，避免发生低功率脱网现象。
主控系统也可以检测到电压跌落情况，主要是为了防止变流器系统传送过来的“流器低电压穿越模式”信号出现故障，故，即便该信号没有被收到，主控系统也会自动开启低压穿越模式。
（3）变桨系统的低电压穿越
上海电气高原型W1250风电机组采用的变桨系统为比例阀控制的浆液变桨形式，此系统中有足够蓄能器，可以保证系统在发生故障时安全顺桨，因此在低电压穿越情况下，变桨系统不用做任何改造。
5低电压穿越过程研究
5.1低电压穿越的工作流程
低电压穿越的工作流程如图1所示。
5.2正常低电压的穿越
“协调低电压穿越”是主控系统正常低电压穿越的工作模式，具体穿越过程为：在发生三相、单相或两相电压跌落造成电网电压波动时，会首先检测到变流器系统电网电压的变化，随后变流器会进入低电压的穿越模式，同时传送出“变流器进入低电压穿越模式”的信号，发送给主控系统。当系统接收到变流器的开启低压模式的信号后，主控系统会快速触动状态码，而后低压模式便被开启，最后进行收浆，在此期间控制风轮的转速和收浆的速度，要保证风轮的转速不能低于风机系统允许的最低工作转速，避免出现脱网现象。
主控系统在收到“变流器进入低电压穿越模式”信号状态时，主控系统还会检测到三相电网的跌落深度、跌落时间和一些跌落情况，在不停机的前提下针对不同跌落情况给出相应的状态信息码。
在电网电压出现跌落时，由于主控系统具有UPS，所以工作电源为230V AC和24V DC的设备在低压过程中可以正常工作，但是主控系统中的工作电源为400V AC和690V AC的设备不能正常工作，主控系统会将这些设备的相应故障代码和启动闭锁。
当主控系统检测到电网电压跌落时间和跌落深度超过国际标准时，主控系统将报出低电压穿越超时的故障码，从而启动停机控制程序，同时启动正常电网电压监测程序，频率和电网电压跌落情况的不一样，要报出相应的故障码进行停机。
图1 低电压穿越工作流程
5.3异常低电压的穿越
为了协调变流器和主控系统之间的系统工作，需要利用硬接线来连接变流器到主控系统之间的信号，具体是指“协调低电压穿越”的工作模式，在变流器接至主控系统过程中，会发生“变流器进入低电压穿越模式”信号硬接线的故障，例如出现接线松动或断线故障，一旦故障发生，主控系统仍会主动开启“低压穿越”的模式，其运作形式是：主控系统接受变流器传送的“进入低电压穿越模式”信号失败，如果检测到电网电压发生跌落情况时，主控系统会延时一段时间后主动进入低电压穿越状态。
对于主控系统而言，无论是“主动低电压穿越”，还是“协调低电压穿越工作模式”，其低压穿越的运作起来的流程是一样的，其“主动低电压穿越”模式会和变流器相配合，更好的完成低压穿越。
5.4低电压穿越动作的连续发生
在进行低压穿越时，变流器要消耗动电阻并产热，这些行为都会损耗其吸收存储的能量。如果电网连续发生低电压的情况，连续两次的时间间隔小于20分钟，时间较短的情况下，能耗制动电阻的温度不能及时降下来，如果再一次发生能耗制动，产生热量会烧毁能耗制动的电阻，所以为了保护变流器，在变流器系统程序内，要限制发生两次低电压穿越的允许时间间隔，如果小于设定的时间间隔，风电机组会直接停机，这样不用触发低电压穿越程序。
6结语
对于风电机组而言，低压穿越是其重要的性能之一，这会帮助出现问题的电网，可以在风电场电压下降至20%-90%的额定电压时，仍可以保持运作，进行并网，从而实现低压穿越，不为故障所影响，进而确保电力系统的运作正常，防止风电机组脱网。此外，当电网出现问题时，低压穿越可以维持并网的进行，从而为电网的自我修复提供缓冲时间，进而确保电力系统更加稳定，安全性能也大幅提高。
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论文作者:张学航
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/31
标签：变流器论文; 机组论文; 风电论文; 系统论文; 电压论文; 电网论文; 转子论文; 《电力设备》2017年第26期论文;