浅谈风电场涉网性能——低电压穿越性能编制：韩树才项目：中宁天润项目提交时间：2014-12-24部门：宁夏事业部摘要随着风力发电技术的迅速发展和其装机容量的不断增大，风力发电技术面临着提高电能质量和电网稳定性的严峻挑战。

当电网发生故障导致电压跌落时，若风电机组不具备低电压穿越能力将会从电网切除，风电机组的大面积切机不仅将对电网稳定性造成巨大影响，而且还会对风机本身产生影响，因此风电机组具备较高的低电压穿越能力很重要。

关键词：风电场；电流保护；低电压穿越；集电线目录摘要 (2)一、风电场低电压穿越简述 (3)（一）风电场低电压穿越能力基本概念 (4)（二）风电场低电压穿越能力评估 (4)（三）风电场低电压穿越面临的问题 (5)二、风电场机组配置及特性改进 (8)（一）风电场电气结构保护配置 (8)三结束语 (9)参考文献 (10)一、风电场低电压穿越简述（一）风电场低电压穿越能力基本概念大容量风电场并网必须具备一定的低电压穿越能力（英文缩写 LVRT），在电网故障等紧急情况下提供一定的电压和无功支撑。

如出现过电压、过电流或转速上升等，严重危害风机本身及其控制系的安全运行；当电压无法恢复时，风电机组将会实施被动式自我保护解列，从电网中切除，从而更大地增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致整个电网瘫痪。

因此必须采取有效的低电压穿越措施，以维护风场电网的稳定和提高电能传输效率。

低电压穿越能力主要体现在两个关键指标上：电压跌落幅值和持续时间。

电压跌落幅值：电网中严重的电压跌落基本上都是由系统故障引起的，继电保护将检测电压跌落的幅值并判断是否动作跳闸，直接决定电压跌落的持续时间，从而影响对并网风电场的低电压穿越能力要求如果能有效地辨识风电场并网处母线电压跌落的危害程度，自适应调整故障间隔的保护控制策略，将有效地整体降低健全间隔上风电机组感受到的电压跌落持续时间，从而提高风电场低电压穿越能力；持续时间：利用电容器的瞬间对大电感放电当电流达到峰值时，使电流延续通过，从而达到较长的放电时间，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时段，提高风电场的整体平稳运行能力。

因此，有必要将风电场低电压穿越能力规范要求引入到继电保护的动作特性中，研究改进风电场集电线路继电保护的动作特性，降低对并网风电机组拖网风险。

（二）风电场低电压穿越能力评估国家电网公司于2009年颁布《风电场接入电网技术规定》，规定风电场低电压穿越要求如图1所示，其关键点为：并网点电压跌落至额定电压的20％时，风电机组必须保持运行0.625ｓ；当并网点电压为额定电压的90％时，风电机组应稳定运行。

考虑到风电机组输出功率的非突变性，将图１所示的低电压穿越能力规范反映到风电机组中，表现为低电压运行状态下的风电机组大电流输出能力要求，以维持风电机组输入、输出功率的平衡。

图1 风电机组低电压穿越能力要求曲线因此，低于低电压穿越稳定值（标幺值为0.9）的电压跌落幅值对额定值的百分比，即以0.625s为分界点，基于功率平衡原则，对如图２所示。

整体而言，式模型所对应的曲线很好地拟合了低电压穿越规范曲线，证明了模型的正确性。

最大误差出现在625ms 至1s期间，电压跌落幅值百分比误差接近10V。

此时间段在Ⅱ段、Ⅲ段保护动作时限内。

此时为了保证保护动作的灵敏性，保护动作定值整定的一般较低，误差冗余度较大，因此，此误差对于评估电流保护动作特性等价的风电机组低电压穿越能力从在一定影响。

图2 风电机组低电压穿越能力规范拟合模型曲线（三）风电场低电压穿越面临的问题在整个风场建设过程中，使用合格、质量好的绝缘子等电气设备，并在安装前进行耐压试验，保证施工质量，以及定期检查设备运行状况，排除存在造成短路等现象的可能性；采取防雷措施，以减少因雷击而造成的单相接地故障；采取防止雷击措施，在架空线路上，采取安装金属氧化物避雷器等防雷措施等，以下对风电场低电压穿越性能面临的几方面原因简述：1、低电压产生原因：电网发生短路故障将会造成电压跌落，电网低电压将引起风电机组并网点电压下降。

造成电网短路的主要原因是由于电气设备载流部分的绝缘被破坏，这种绝缘损坏是由于未及时发现和消除的设备缺陷，以及设计、制造、安装和运行维护不良所致。

如长期运行过程中过电压、设备直接遭受雷击、绝缘材料自然老化和机械损伤等原因就常使设备绝缘损坏而造成短路；短路故障会引起电网的电压降低，造成很大的短路电流，影响电气设备的正常工作和电力系统的稳定性，甚至可能导致供电中断。

2、风电场质量支撑方面：以恒速风力发电组为例，目前为止主要采用异步发电机，这类机型具有无电刷、结构简单、成本低、维护费用低、操作简单等优点，因为得到了广泛的应用，但是其存在稳定性问题。

当电力系统发生短路故障时，异步发电机需要大量的无功功率来为其本身励磁，如果不能提供所需的无功，则发电机电磁转矩下降，和机械转矩之间的不平衡将会导致风机加速，直至不稳定最终切除电网。

该类型机组本身不具备低电压穿越能力，因此，必须对风机本身进行相应的改造。

3、风电场无功支撑方面：以恒速风力发电组为例，无功补偿对于提高其稳态和暂态特性是一个非常重要的手段。

一般情况下，风机机端并联固定电容器组，以提高稳态时风机的功率因数。

但当电网发生故障时，由于其不能动态实时提供风机在故障运行时所需的大量无功功率、不能保持恒定的风机机端电压，将会造成风机的切机，因此必须辅助增加其它动态无功补偿装置来实现其低电压穿越功能。

目前风机类型可概括为三类，即直接并网的定速异步机 FSIG、双馈异步式风机DFIG和同步直驱永磁风机 PMSG。

（见图3）图3其中定速异步机FSIG 和双馈异步式风机DFIG 都是定子侧直接联接电网。

这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上，导致定子磁链出现直流成分，不对称故障时还会出现负序分量。

定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加。

1、定速异步机FSIG 的低电压穿越（英文缩写 LVRT）实现电压跌落期间 FSIG 的主要问题是电磁转矩衰减导致转速的飞升。

最简单的方法是在可靠判断出故障后，利用快速变桨来减小输入机械转矩，限制转速上升。

但风机桨叶具有很大的惯性，该方案需要风机有很好的变桨性能。

变桨控制不足机的运转反而需要吸收电网的无功。

一般减少无功吸收的方法是按最大功率输出安装电容器组。

但在风力发电这种能量波动大的场合会带来系统电压的波动，且会磨损发电机械，故障时临近母线会出现过电压，但可通过安装静态无功补偿SVG或静态同步补偿器来调节电压。

总的来说，DFIG在电压跌落时面临的问题不是很大，其低电压穿越实现可以配合变桨和其他措施实现。

2、双馈异步式风机DFIG 的 LVRT 实现与前两种机型相比，DFIG 在电压跌落期间面临的威胁最大。

电压跌落出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件，而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。

由于变流器DC会出现过、欠电压，因此可以考虑与 PMSG 一样在变流器DC上接储能系统，以保持变流器DC电压稳定。

这种基于能量管理的控制方案主要是从维持 AC / DC /AC 变流器直流母线电压的角度考虑问题，没有直接涉及到双馈电机本身的 LVRT 特性。

3、同步直驱永磁风机PMSG 的 LVRT 实现本场所用33台金风1500WM型同步直驱永磁风机 PMSG，金风科技已于2010年6月在德国通过由Windtest验证的低电压穿越测试，并于2010年8月在国内通过由中国电力科学研究院验证的规模化工况条件下的低电压穿越测试。

该测试的测试地点位于甘肃瓜州自主化示范风电场，项目装机总容量为30万千瓦，全部采用了金风科技1.5MW 直驱永磁风力发电机组。

测试之前，金风科技在一天之内即完成对全部参测22台机组的低电压穿越升级改造。

10月22日，在西北电网甘肃瓜州东大桥变电站330kV人工单相短路试验条件下，有19台机组在大风满发工况下成功实现不对称低电压穿越，一次性通过比例高达86.4%。

本次测试则是国内首次由数十台机组在实际运行条件下进行的工况测试，因此测试数据也更加具有实际应用价值和普遍说服力。

事实证明，只要通过一定的技术改造，所有风机都能实现电监会所要求的具备低电压穿越能力，在风机脱网之后，由于负载被切除，电网电压会波动，采用直驱永磁技术的风电机组由于本身具备离网的自我保护功能，低电压穿越改造技术简单，成本较小，另外在电网侧加一些无功补偿的设备，由电网自身来补偿。

因此永磁直接驱动型变速恒频风力发电系统已被证实在这方面拥有出色的性能。

二、风电场机组配置及特性改进（一）风电场电气结构保护配置以图4所示的中宁天润香山第三风电场为例进行分析。

3条35kV集电线路汇集33台风电机组，通过35kV/110kV升压站并网发电，但是目前风电场内集电线路保护配置均将风电机组作为负荷考虑，不考虑故障时风电机组提供的短路电流，保护配置一般安装在风电场升压变压器的低压侧。

风电机组至集电线路之间分支线上主要配置的熔断器保护。

图4风电机组低电压保护的动作定值，其中动作时间最快（低电压穿越能力最低）的运达750型风电机组动作时间为100s，其余机组的动作时间均在200s以上。

特别是金风750型风电机组，其电压低（瞬时）与电压低（持续）动作定值仅差10V，而动作时间却相差300倍；再考虑到金风1500型风电机组的低电压保护动作时间为1s，有理由相信金风机组的低电压穿越能力具备较大的提升空间，并且提高低电压穿越能力改造技术简单，成本较小。

在2014年12月20日11:52分，本场香山第三风电场配合中国电科院及国网公司，做满负荷情况下单瞬接地短路试验，当时平均风速13.5m/s,负荷50MW，本场有几组风机报直流电压高故障，下图5为实验记录数据曲线。

图5电压跌落期间根据图5数据曲线和本场风机报直流电压高故障，可以初步分析问题在于能量不匹配导致直流电压的上升可，风电机组由于仅配置了有限的低电压穿越容量，缺乏电容保护动作提供等价容量的支撑，机组脱网。

采取储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题，可以从变流器设计选择器件时放宽电力电子器件的耐压和过流值,并提高直流电容的额定电压。

这样在电压跌落时可以把DC2链的电压限定值调高,以储存多余的能量,并允许网侧逆变器电流增大,以输出更多的能量。

但是考虑到器件成本,增加器件额定值是有限度的,而且在长时间和严重故障下,功率不匹配会很严重,有可能超出器件容量,因此这种方法较适用于短时的电压跌落故障。

对于更长时间的深度故障,可以考虑采用额外电路单元储存或消耗多余能量，在DC2链上接一个储能系统,当检测直流电压过高则触发储能系统的IGBT,转移多余的直流储能,故障恢复后将所储存的能量馈入电网，直接用电阻消耗多余的DC2链能量，增大功率输出和储能以解决功率匹配，同样可以考虑减小电机的发电功率来平衡功率。