风力发电机组的低电压穿越能力及其改善

低电压穿越（LVRT）能力是指风力发电机组端电压跌落到一定值的情况下风电机组能够维持并网运行的能力。

电网系统瞬态短路而引起的电压暂降在实际运行中是经常出现的，而其中绝大多数的故障在继电保护装置的控制下在短暂的时间（通常不超过0.8s）内能恢复，即重合闸。在这短暂的时间内，电网电压大幅度下降，风力发电机组必须在极短时间内做出无功功率调整来支持电网电压，从而保证风电机组不脱网，避免出现局部电网内风电成分的大量切除而导致的系统供电质量恶化。

德国等欧美国家都对于风电机组的低电压穿越能力做出了强制性的规定。随着近年中国风电的迅速发展，某些局部地区已经出现的风电装机容量过高，也出现了多次在电网瞬态短路时大量风电切出电网的事故。我国也有一些现行标准如《GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定》和《国家电网公司风电场接入电网技术规定实施细则（2009）》都体现了相应的要求。

以德国E.ON公司2006年电网规约对风电机组LVRT能力的具体要求^[9]为例，如图4-18所示。

图4-18 德国E.ON公司对风电机组的低电压穿越要求（2006）

具体要求如下：

如因三相短路或故障引起对称电压跌落在限制线1上方区域内，不应使机组运行失去稳定或脱网。

当电压跌落程度位于限制线2上方的阴影区域内时有如下要求：

1）发电机组不应脱网，但如果因为电网或者发电机组的原因不能维持连接电网，那么在E.ON公司的允许下，可以改变限制线2，但与此同时要降低重合闸时间并保证在故障期间有最小的无功功率输出。并且重合闸和机组的无功功率输出必须发生，以便机组满足在接入点的电网要求。

2）如果在该阴影区域，单个的发电机组产生不稳定或者发电机保护动作，在得到E.ON公司同意的情况下，短暂的脱网行为是可以被允许的。在脱网后的2s内，必须实现重合闸。在合闸后，机组的有功功率必须以每秒恢复10%额定功率的速度恢复到初始值。

当电压跌落程度位于限制线2的下方区域时，是允许机组脱网的。在例外的情况下，如果得到E.ON公司的允许，重合闸时间超过2s以及有功功率恢复速度低于每秒10%额定功率也是可以接受的。

对于所有在故障中未脱网的机组，在故障清除后应能立即以每秒20%额定功率的速度恢复有功功率。

在电压跌落时，机组必须发出无功功率来支撑电压。当电压跌落超过10%时，机组必须进入电压支撑控制模式，在识别到电压跌落的20ms内必须实现对电压的控制。在机组出口的低压侧实现电压每跌落额定电压的1%就能提供额定电流2%的无功电流，在必要的情况下，要能输出至少额定电流100%的无功电流。

当电压恢复到额定电压的90%～110%时，电压支撑模式必须持续至少500ms。在电压恢复300ms后，必须实现电压瞬态的平衡。如果机组离电网接入点很远，那么电压支撑的效果可能就不明显。E.ON要求根据对电网接入点电压跌落的测量结果来进行电压支撑控制。我国现行的《GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定》要求比较简单（见图4-19），主要在于我国风电技术水平和先进国家还存在一定差距，具体内容如下：

1）风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力。

2）风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投入运行的风电场，应积极开展机组改造工作，以使其具备低电压穿越能力。

图4-19 《GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定》中的要求

（一）定桨恒速风电机组

当定桨恒速风电机组的电网接入点电压下降或发生瞬时跌落时，异步发电机的机械转矩大于电磁转矩，发电机转差率增大。当机端电压不低于允许下限时，异步发电机有能力在转差率变化不大的情况下达到新的机械转矩与电磁转矩平衡状态。当系统电压下降幅度超过相应值时，异步发电机将没有能力重新使机械转矩与电磁转矩平衡，发电机转速将不断增加。如果电网电压不能在一定时间内恢复正常，上述平衡状态将无法恢复，风电机组将退出运行。风电场中大量的机组同时切出可能会危及电网的功角稳定。一旦电网电压恢复正常，大量风电机组同时起动时会从电网吸收大量的无功功率。如果定桨恒速风电机组容量占当地电网总容量的相当比例就可能会影响电网电压的稳定性。(www.xing528.com)

图4-20是笼型异步发电机的电磁转矩T_e-转差率s的关系曲线^[10]，如接入点电压高则曲线也较高，在正常运行区域近似有T∝U²。设故障前异步发电机稳定运行于曲线A上的a点，转差率为s_a，在机端电压下降时，将造成发电机电磁转矩下降，输入机械转矩产生的过剩转矩导致异步发电机转子加速，转差率s在数值上开始增大。故障消失后，机端电压恢复，设异步发电机的转差率为s_b，这时由于电磁转矩大于输入机械转矩，转子开始减速，转差率s在数值上开始减小，从b点沿着曲线A回到a点，机械转矩和电磁转矩平衡，但由于惯性转子继续减速越过a点，机械转矩大于电磁转矩，转子又开始加速，最终经过一系列振荡稳定在原来的运行点a。

如果故障持续时间过长，假设故障消失后异步发电机的转差率为s_d，则由于输入机械转矩大于电磁转矩，转子将持续一直加速，异步发电机失去稳定。

也就是说如果暂态电压下降造成的发电机转速上升不超过s_cc点，异步发电机都能恢复到稳定状态。此外，当暂态电压下降而造成异步发电机转差率增大时，发电机将吸收更多的无功功率，进一步促使电压下降。再者，如果电压下降时间过长，也将造成发电机运行曲线的下降，从而减小安全裕度。

图4-20 笼型异步发电机暂态稳定性分析

静止无功补偿设备（如静止无功补偿器SVC或静止同步补偿器STATCOM）可以在电压暂降的瞬态发出无功功率以稳定系统电压，这样能够改善定桨恒速风电机组的低电压穿越能力，有利于系统电压的故障恢复。

（二）变速恒频风电机组

对广泛使用的双馈异步风电机组而言，在电网电压大幅度下降时，发电机电磁转矩变得非常小，工作在低负载状态。由于发电机定子磁链不能跟随电压突变，会产生直流分量，而转速由于惯性并没有显著变化，较大的转差率就导致了转子线路的过电压和过电流。本质上，可认为发电机的电磁暂态能量并未改变，但电网电压下降导致发电机定子侧能量传输能力下降，因而需要在转子侧加设暂态能量泄放通道来保护设备，通常为Crowbar保护电路或直流泄放保护电路（Chopper）。有源Crowbar保护电路的常见结构如图4-21所示。

图4-21 双馈异步发电机组的有源Crowbar保护电路

当电网电压大幅度下降时，双馈异步发电机呈现出电感特性，从电网吸收大量的无功功率，如果没有无功功率的补充将加剧电网电压的崩溃。这样在有功功率基本为零的情况下，双馈异步风电机组被要求发出无功功率以支撑电网电压，即在短暂的瞬态表现为无功调相器，在电网电压恢复后，风电机组也恢复原有发电状态。暂态过程中，风电机组发出无功功率的能力主要取决于电压水平、发电机的特性参数和电机侧IGBT桥的最大允许电流。

对于全功率变换的永磁同步发电机组而言，发电机与电网隔离，从而对电网故障的适应性完全由变流器来实现。在电网故障期间永磁同步发电机不从电网吸收无功功率，因而在不进行无功补充的情况下也不会加剧电网电压崩溃。在电网电压跌落时，电网侧变流器可工作于静止同步补偿器（STATCOM）状态，输出动态无功功率。由于同步发电机组所配备的变流器容量等同机组容量，所以发出无功功率的容量也比双馈异步发电机组更大，更有利于电网电压的恢复。

与双馈异步发电机组类同，为泄放发电机的电磁暂态能量，永磁同步发电机组通常在变流器直流侧加设泄放电路（Chopper）来保护变流器和电容，常见结构如图4-22所示。

图4-23是电网低电压跌落过程中，风电机组输出有功功率和无功功率的变化过程。在电网电压恢复后，系统能很快恢复正常运行时的有功功率和无功功率，其中无功功率在电压恢复后仍能保持短时发出无功功率支持电网电压，有功功率一般以固定斜率恢复，这是因为过快恢复容易引起机组传动系统振荡，过慢则影响电力系统的有功功率平衡。

图4-22 永磁同步发电机组的直流侧泄放保护电路

图4-23 低电压穿越过程中的有功功率-无功功率控制

风电机组为实现低电压穿越，除了变流系统外，机组的变距系统和主控制系统都要做特殊的控制设计，以防止风轮超速和控制失效。