风力发电机低电压穿越技术发展现状

张永明， 史伟伟

(1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114;2.上海交通大学，上海 200240)

0 引言

继2011年2月24日甘肃酒泉发生风电机组大规模脱网事故之后，国家电监会2011年5月5日再次通报4月发生在酒泉和河北张家口的两起大规模风机脱网事故。据电监会通报，2011年2月24日，甘肃酒泉发生598台风电机组脱网事故，损失出力840.43 MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.4%，造成西北电网主网频率由事故前的 50.034 Hz 降至最低49.854 Hz。2011年4月17日，甘肃瓜州某风电场电缆头短路事故带来的系列反应造成702台风电机组脱网事故，损失出力1 006.223 MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.17%，造成西北电网主网频率由事故前的50.036 Hz降至最低49.815 Hz。2011年4月17日，河北张家口某风电场箱式变压器发生短路事故，引起的系列反应造成644台风电机组脱网事故，损失风电出力854 MW，占事故前张家口地区风电出力的48.5%，造成华北电网主网频率由事故前的50.50 Hz降至最低49.95 Hz。电监会报告指出，三起事故的起因都是电网设备故障，但是风机多数不具备低电压穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)能力是事故扩大的主因，也是当前风电发展过程中存在的“首要问题”。

1 LVRT概念

LVRT是指电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电机组能够不间断地并网运行，能够对系统恢复起到积极的作用，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间段。电网电压跌落引起风机一系列的暂态过程，导致过电压、过电流或转速上升等负面影响，严重危害发电机及控制系统的正常运行。在风力发电发展的初期，LVRT技术并未引起人们的足够重视。在风电的电网穿透率(风电占电网的比重)较低时，系统允许风机在系统发生故障或扰动时保护性切除，最大限度地保证风机的安全，不会给系统带来严重影响。但是近年，随着风电装机容量的不断攀升，若风机在电网电压跌落时仍采取退出式解列，由于输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，甚至可引起大面积停电，进而带来频率的稳定问题。

2 电压跌落对风机的影响

2.1 对双馈感应发电机系统的影响

在各种类型的风力发电机组中，变速恒频双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)以其调速范围宽、有功和无功功率可独立调节，以及所需励磁变频器容量较小等优点，迅速取代传统的恒速恒频笼型异步发电机组，成为国际主流风电机组产品，占据大部分市场份额。DFIG风电机组的特征是定子直接与电网相连，电机通过励磁变频器控制转子电流的频率、相位和幅值来间接调节定子侧的输出功率。该结构不能分离DFIG与电网之间的联系，导致机组对电网故障非常敏感。当电网电压突然跌落时，定子侧的感应电势和电网电压之差将直接作用在定子电阻和定子漏抗上，定子回路将产生很大的冲击电流(冲击电流的大小与电网电压的跌落程度有关)。由于定、转子之间的强耦合，使得转子侧也感应出过流和过压。由于大电流会导致电机铁心饱和、电抗减小，使定、转子电流进一步增大。转子侧电流的迅速增加，会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为DFIG在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。如果电网出现的是不对称故障的话，会使转子过压与过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器，而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。总体来说，定子电压骤降时在定子磁链中引起的直流分量和负序分量是可能造成转子过电流的重要原因。

2.2 对永磁直驱发电机系统的影响

相对于有刷双馈感应风力发电系统，采用风轮直接驱动的永磁直驱风力发电系统中省去了传动齿轮箱，系统中无电刷和滑环，因此其运行可靠性和发电效率得以提高，使得该类发电系统在风电场中逐步得到广泛应用。与DFIG不同，永磁直驱发电机通过全功率变流器并网。当电网发生电压跌落时，电压差首先作用在电网侧变换器。此时电网侧变换器将无法完全输出发电机产生的有功功率，多余的能量将流入直流侧电容进行充电，若不采取合适的措施，直流侧电容将充电至很高电压，将直接危及并网变流器的安全运行。为避免直流侧过电压和电网侧变换器过电流，应限制由电机侧变换器传递到电网侧变换器的有功功率。由于永磁直驱发电机通过全功率变流器并网与电网完全隔离，在发生电网电压跌落时，如果在变流器部分采取相应的措施，理论上可使风力机与发电机的运行基本不受电网故障的影响，从而使直驱型风力发电系统在故障消除后能迅速恢复正常工作。

3 各国风电标准对LVRT的要求

各国风电标准对LVRT的要求不同。

(1)美国标准:美国要求风电场节点电压跌落至额定电压的15%时，风机应有能够维持并网运行625 ms的LVRT能力;当风电场电压在发生后3 s内能够恢复到额定电压的90%时，风机必须保持并网运行。

(2)加拿大标准:加拿大要求节点电压跌落至零时，风机应具有维持运行150 ms的LVRT能力;3 s内恢复到节点额定电压的85%时，风机必须保持并网运行。

(3)德国标准:德国要求有功功率输出在故障切除后立即恢复，并且每秒钟至少增加额定功率的20%。若电压跌落深度大于额定电压均方根值的10%，机组必须切换至支持电压。机组必须在通过提供电机端无功功率进行的故障识别后20 ms内提供电压支持，无功功率的提供必须保证电压每降低1%，无功电流增加2%。

(4)丹麦标准:丹麦要求双重电压降落特性。它要求如果两相短路100 ms后间隔300 ms再发生一次新的100 ms短路时不发生切机;如果单相短路100 ms后间隔1 s再发生一次新的100 ms电压降落时也不切机;三相故障从额定电压的20%～75%开始持续存在，风电场应在电压重新到达0.9 pu以上后，在10 s内达到额定功率;在电压恢复到0.9 pu后，在10 s内满足电网无功功率的交换要求;电压降落期间，风电场必须发到标称电流1.0倍的无功电流。

(5)中国标准:我国风电并网标准相对落后，2005年发布实施的GB/Z 19963—2005《风电场接入电力系统技术规定》属指导性文件;2006年发布试行并于2009年重新修订的国家电网公司Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》属企业标准。2010年8月，我国发布了能源行业标准NB/T—2010《大型风电场并网设计技术规范》和国家标准《风电场接入电力系统技术规定》的征求意见稿。具体的国家标准有望近期出台。

按照Q/GDW 392—2009要求，中国风电机组LVRT能力包括三项重要指标:

①风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行625 ms;

②风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行;

③风电机组有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，能以至少每秒10%额定功率的功率变化率恢复至故障前的值。

4 LVRT技术的实现

图1 双馈感应发电系统结构图

(1)已建成风电场的改造。

对于已经建成的风电场，如果不具有LVRT能力，必须适应当前的并网规则要求，对风电场进行改造，目前有几种方案可供选择:在风电场采用动态无功补偿装置，动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压;安装可控串补效限制风电场机端输出电流，提高风电场机端电压;利用串联制动电阻在电网故障时提升风电机组端电压，并吸收过剩有功功率，进而提高风电场LVRT能力;安装超导储能装置，提高风电场机端电压。

(2)双馈感应发电系统。系统结构如图1所示。

为保证电网电压跌落时，DFIG及其变流器能继续安全运行，研究人员对电网故障时双馈发电机的保护原理与控制策略做了大量的研究。总结起来，双馈发电机的主流LVRT技术有以下几种。

①转子侧Crowbar保护。

Crowbar保护，也被称为撬棒技术，是风电制造商较早使用的一种方法。大体分为被动撬棒和主动撬棒两种。被动撬棒是指转子电路中采用晶闸管SCR元件，电网出现故障到一定限值就触发Crowbar，从而保护风机。其控制完全是一种被动的自我保护，不对电网提供电压支撑，并且在电网故障切除后也不能立即对电网恢复供电。

主动撬棒利用可关断器件，如GTO，IGBT等代替晶闸管。发电机需要保护时触发双向开关，将旁路电阻纳入转子回路。旁路电阻的取值甚为关键，阻值过小起不到限流的目的，阻值过大又会在转子变流器侧带来过电压，对转子变流器不利。

Crowbar动作后，双馈发电机工作在电动机状态，当转子电流和转子变流器直流电压降低到设定的保护值以下时，需要重新恢复发电机运行模式。为防止Crowbar切除时产生较大的电流振荡，引起保护电路的再次动作，需要对切换过程进行合理的设计和控制。

需要指出，虽然Crowbar技术能保证电网电压短时跌落时，风力发电机不脱网，缓解了对电网的不利影响，但是也存在一些缺点:首先，需要增加新的保护装置，从而增加了系统成本;另外，电网故障时，虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。

②定子侧电阻阵列保护。

将一系列与双向交流开关并联的电阻阵列连接在DFIG定子与电网传输线之间。当电网电压正常时，所有交流开关导通;一旦检测到电网电压下降，则通过控制交流开关的触发角来调节整个装置的等效阻抗，DFIG输出的电流流过该阻抗后，将提高DFIG定子端电压，从而保证DFIG端电压在一定的数值之上。这种方法的优点是可以在电网电压跌落的情况下保持DFIG与电网的连接，缺点是需要使用大量大功率晶闸管，硬件成本较高，且电阻损耗大。

③电网侧串联额外的变换器。

这种技术通过电网侧串联变换器来提高DFIG机组的LVRT能力。这种电网侧串联变换器能够对故障电压进行补偿，保证DFIG定子电压的稳定，相当于一台动态电压恢复器。通过调节DFIG定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、转子电流，以及有功、无功功率的振荡。另外，将DFIG未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压过高。这种结构能实现零电压穿越，具有优良的LVRT能力，缺点是成本高、控制复杂。

④故障期间的控制策略。

为了尽可能少地增加成本，许多学者都在寻求不增加硬件控制电路，从改善DFIG控制策略的角度来探索DFIG LVRT的实现方法。传统的基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法一般采用PI调节器，实现有功、无功功率独立调节，具有一定的抗干扰能力。但是当电网电压出现较大幅度的跌落时，PI调节器容易出现输出饱和，难以回到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间内，DFIG实际上处于非闭环的失控状态。为了克服传统矢量控制的缺点，国内外学者提出了大量的改进控制策略。例如:基于鲁棒控制技术的H和μ-analysis方法设计控制器;基于静止无功补偿器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)模式的控制方法;励磁电压控制法:针对电网电压突降时定子磁链中的暂态直流和负序分量，通过调节励磁电压使之产生出抵消性质的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量。

(3)永磁直驱风电系统。

由图2可见，和双馈风力发电系统不同，直驱发电机和电网之间没有直接联系，对电网的动态响应能力主要取决于并网变流器。并网变流器采用PWM方式，既可以向电网输出有功也可以向电网输出无功，而且既可输出超前无功也可以输出滞后无功，动态响应速度快。因此对电网电压跌落具有较好的适应能力，并且在电压跌落时可以灵活地向电网提供无功支持，从而有利于电网电压的恢复，因此对直驱风力发电系统的研究有着重要的意义。

图2 基于双PWM的永磁直驱风电系统结构图

对永磁直驱风力发电机而言，在电网电压突然跌落时，需要解决的关键问题是变流器环节能量堆积及其引发的过压、过流问题。电网电压跌落瞬间变流器输出功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，功率不匹配将导致DC-Link(直流母线)电压上升，威胁电力电子器件的安全。如采取控制措施稳定DC-Link电压，必然会导致输出到电网的电流增大，过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围内波动时，电机侧变流器一般都能保持可控性，在电网电压跌落期间，电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱系统的LVRT实现相对DFIG而言较为容易。

解决LVRT期间能量不平衡的办法一是增加卸荷之路，释放掉多余的能量;二是减少发电机的输出动率，使能量达到新的平衡状态。第一种方法与双馈感应电机转子侧的Crowbar电路类似，通过卸荷电阻的投入和切除实现;后一种主要通过机侧网侧协调控制实现。

①直流侧Crowbar电路保护。

直流侧增加过压保护Crowbar电路，实现电网电压跌落时，永磁直驱发电系统的LVRT，使风机能够保持正常运行，故障消除后系统快速恢复至额定输出。

②机侧网侧协调控制策略。

由图3可见，机侧PWM变流器的控制策略是保持中间直流电压恒定，而网侧变流器控制目标是根据电网功率指令实现风机最大功率跟踪。二者都采用双闭环方法。当电压跌落时，并网功率随着并网点电压降低而降低，为了保持中间电压恒定，机侧变流器降低电流内环指令，使发电机输出功率减小。需要指出的是，发电机负载转矩减小势必造成电磁转矩与风力机转矩的不平衡，使转子转速上升，对于兆瓦级的机组来说，有巨大的惯性，转矩不平衡对风机转速的影响并不严重。

图3 机侧网侧协调控制框图

5 风机LVRT能力测试

5.1 LVRT测试技术现状

为满足国际及国内对风电机组依据相关标准进行LVRT能力检测的需要，各国均开展了LVRT检测系统的研究，并开展了一些LVRT检测工作。

2003年，Enercon和FGH合作，在其2 MW风电机组E-66上进行了全世界第一次LVRT测试，2004年，FGH给Enercon公司颁发了第一张LVRT现场测试认证证书。测试中采用的是FGH研制的分压型LVRT测试系统，电压等级为20 kV。

2005年，ABB进行了北美最早的 LVRT测试，测试中，通过断开风电机组上游断路器并重合闸的方法模拟电压跌落，跌落时间分别是300 ms、400 ms和500 ms。测试中对风电机组及连接点的电气参数进行了测量，采样频率为120 Hz。测试结果表明其被测机组在电压跌落过程中能够持续工作，故障恢复后，风机重新恢复到设定功率水平。同年，ABB还采用分压型测试系统对其1.6 MW双馈异步发电机和200 kW同步发电机进行了测试，测试系统为690 V系统，测试点选在风电机组线端。测试结果也表明，这两类机型能够实现LVRT功能。2006年，ABB采用重合闸的方法再次进行测试，但这次测试没有成功。在断路器断开后，风机线端出现过电压，随后保护动作，风电机组停机。为能够在风电机组变压器中压侧进行测试，ABB随后在2008和2009年开发了20 kV分压型测试系统，成功进行了多次LVRT功能测试。

2010年，我国电科院和FGH公司合作，完成我国首次LVRT现场测试。采用的测试系统是FGH公司的分压型系统。同年，西门子公司和北车集团合作，在试验系统上也完成了LVRT测试，测试系统是西门子公司设计的分压型系统。

2011年3 月，广西银河艾万迪斯风力发电有限公司宣布其自主研发的2.5 MW直驱永磁机组成功通过了中国电科院和GL的LVRT测试。目前，LVRT测试能力较强的是FGH公司，许多风机制造企业和认证、科研单位购买其开发的分压型测试系统。虽然也有公司在研发，如ABB、西门子等，但都没有真正市场化。

我国一些科研单位近年来也在积极开展LVRT测试系统的研发。2009年，中国电科院电工所对基于自耦变压器的测试系统进行了研究，并完成了380 V/20 kVA试验样机。浙江大学也对基于自耦变压器的测试系统进行了研究，完成了190 V和380 V的基本功能试验。上海大学也完成了基于自耦变压器的380 V/15 kVA试验系统。2010年，浙江大学还对基于全功率变换器的测试系统进行了研究，并完成了380 V/15 kVA试验样机。总的来讲，我国对LVRT测试系统的研究还处于初级阶段，和国外差距还较大。

5.2 LVRT测试系统原理

图4为金风1.5 MW永磁直驱风力发电机组LVRT测试系统拓扑图。测试设备通过电网侧断路器CB-GRID和风机侧断路器CB-WT分别与中压电网及风电机组箱变高压侧相连。

图4 金风1.5 MW永磁直驱风机LVRT测试示意图

为了测试风力发电机的LVRT性能，同时不影响电网的安全运行，在被测风力发电机35 kV高压塔架处将LVRT测试设备分别与风力发电机箱变和中压电网相连。此检测设备可以使风力发电机机端电压降低到测试所要求的电压，同时保证对风机高压侧输电线路(35 kV)的电压影响范围为±5%Un，Un为额定线电压。

5.3 LVRT测试系统步骤

LVRT测试步骤具体如下:

(1)调整限流电抗器Xsr和短路电抗器Xsc的电抗值。限流电抗器Xsr的取值与系统电压、风电机组额定容量及公共连接点的短路容量有关。短路电抗Xsc与拟模拟的电压跌落有关。

(2)闭合断路器 CB1、CB-GRID和CB-WT，接入测试系统，风电机组并网发电。

(3)断开断路器CB1，投入限流电抗器Xsr。

(4)闭合断路器CB2，通过将短路电抗器Xsc短接，产生三相或两相短路，实现电网电压跌落。

按照IEC61400-21:2008标准，对每个测试点，具体的测试要求如下:

(1)风电机组输出标称有功功率大于 0.9 pu;

(2)风电机组输出标称有功功率为0.1～0.3 pu;

(3)三相短路测试;

(4)两相短路测试;

(5)相同情况的电压跌落连续重复测试两次。

6 结语

本文从原理上阐述了电网电压骤降对双馈感应风力发电机和永磁直驱发电机的影响，介绍了当前两种风机系统提高LVRT能力的硬件措施和软件策略，介绍了目前风机低电压测试技术的研究现状。可以看出:研制各种低成本、高可靠性、控制简单的保护装置，研究满足对不同机组、不同参数均有适应性的先进控制策略是今后LVRT技术的发展方向;另外建立适合我国电网实际情况的LVRT技术标准，开发灵活完整的现场测试方法，同样具有非常重要的实用价值和学术价值，同时具有广阔的应用市场。

［1］张兴，张龙云，杨淑英，等.风力发电低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化学报，2008，20(2):1-8.

［2］贺益康，周鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述［J］.电工技术学报，2009，24(9):140-145.

［3］关宏亮，赵海翔，迟永宁，等.电力系统对并网发电机组低电压承受能力的要求［J］.电网技术，2007，31(7):78-82.

［4］张兴，张龙云，杨淑英，等.风力发电机低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化技术学报，2008，20(2):1-8.

［5］李建林.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越技术分析［J］.电力系统自动化，2008，32(19):29-33.

［6］王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析［J］.电力系统自动化，2007，31(23):84-89

［7］肖磊.直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究［D］.长沙:湖南大学，2009.

［8］赵静.双馈异步发电机低电压穿越时的Crowbar保护技术［D］.杭州:浙江大学，2010.

［9］杨恩星.低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术研究［D］.杭州:浙江大学，2009.