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
