用户名:
密  码:
资讯查询

风电机组的低压穿越改造

发布日期:2016-01-19    来源:作者:吕勇 单位:上海提迈克电气传动科技有限公司      点击数:22388

       一、引言
       随着风电的快速发展,其所在电网中的比例不断增大,风电逐渐成为影响电网安全稳定运行的重要因素。2011年,我国各地风电场连续发生多起风机脱网事故,数千台的风机脱网使得电网面临极大的考验。国家电监会在事故调査后认为,风电机组的脱网事故源于当前已经投入运营的风电机组多数不具备低电压穿越能力所致。低电压穿越是指在风力发电机并网点电压跌落的时候,风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网的恢复,直到电网恢复正常,从而穿越这个低电压时间(区域),它是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求,不同国家和地区的低电压穿越要求不尽相同。我国的国家标准GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》中对低压穿越的基本要求为:
       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应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2s内能够恢复到标称电压的90%时,风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。
       风电能够顺利地并入电网,主要取决于电力系统对供电波动反映的能力。风电机组由于风的随机性、运行时对无功只能就地平衡等原因将给电网带来一定的影响。过去我国风力发电所占电力系统供电的比例不大,电网具有足够的备用容量和调节能力,风电的接入一般不必考虑频率稳定性问题,当电力系统某处发生电压暂降时风力发电机可以瞬间脱网进行自我保护。伴随着风电的大规模开发,风电的电量所占电网供电的比例与日俱增,不得不考虑电网电压暂降时风力发电机组脱网给电力系统所带来的影响,电力系统的稳定运行需要风电机组具有低电压穿越能力,以保证系统发生故障后机组的不间断并网运行。在风力发电机并网点电压跌落的时候,风机保持电压跌落会给电机带来一系列暂态过程,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统的安全运行,一般情况下若电网出现故 障,风机就实施被动式自我保护而立即解列,不考虑故障的持续时间和严重程度,以最大限度保障风机的安全,这在风电的电网穿透率较低时是可以接受的;然而,当风电在电网中占有较大比重时,若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列,则会增加整个系统的恢复难度,甚至可能加剧故障,最终导致系统其它机组全部解列,因此必须采取有效的措施,以维持电网的稳定。电网发生故障 (尤其是不对称故障)的过渡过程中,电机电磁转矩会出现较大的波动,对风机齿轮箱等机械部件构成冲击,影响风机的运行和寿命;在定子电压跌落时,电机输出功率降低,若不对功率进行控制,必然导致电机转速上升,在风速较高、机械动力转矩较大的情况下,即使故障切除,也难较快抑制电机转速的快速上升,吸收的无功功率增大,定子端的电压下降, 进一步阻碍了电网电压的恢复,严重时可能导致电网电压无法恢复,从而使系统崩溃,这种情况与电机惯性、额定值以及故障持续时间有关。因此,风电机组具备低电压穿越能力是风电大规模开发的必然要求。
       二、风电机组的低压穿越技术方案
       1、实现LVRT功能的三种主要方案
       双馈感应风力发电机组(DFIG)实现LVRT功能主要有三种方案:
       (1)采用转子短路保护技术
       这是目前采用得较多的方法,基本方式是在发电机转子侧装有CROWBAR电路,为转子侧电路提供旁路,在检测到电网系统故障出现电压跌落时,闭锁双馈感应发电机励磁变流器,同时投入转子回路的旁路(释能电阻)保护装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用,以此来维持发电机不脱网运行(此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行)。
       (2)在双馈感应发电机定子侧与电网间串联可控硅电路
       在正常运行时,这些可控硅全部导通。当电网电压跌落严重时,为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流,在电压回升以前,将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网,脱网以后,转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机,电压一旦回升到允许的范围之内,双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步,再通过开通可控硅电路使定子与电网连接,这样可以减小对IGBT耐压、耐流的要求;对于短时间内能够接受大电流的IGBT模块,可以减少双馈感应发电机的脱网运行时间。转子侧大功率馈入直流侧会导致直流侧电容电压的升高,而直流侧的耐压等级依赖于直流侧电容的大小,因此需要在直流侧安装电阻把电压限制在允许范围内。这种方式的不足之处是:该方案需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量,需要可控硅器件能通过门极关断,这要求很大的门极负驱动电流,驱动电路太复杂。这里的可控硅串联电路如果采用穿透型IGBT的话,IGBT必须串联二极管。而采用非穿透型IGBT的话,通态损耗会很大。理论上,如果利用接触器来代替可控硅开关的话,虽通态时无损耗,但断开动作时间太长,而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行,因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。
       (3)采用合理的励磁控制算法
       通过改进控制策略在电压和电流之间得到一定的平衡,在两个值都不过高的情况下由系统本身吸收这部分能量,适合于电压轻度骤降的场合,对电压严重跌落的场合,则需增加硬件辅助电路来完成。
       2、PMSG实现LVRT功能的主要措施
       (1)选择耐压和过流值比较大的电力电子器件;
       (2)增加辅助网侧变流器;
       (3)在DC-LINK上接储能系统或BUCK变换器;
       (4)改善并网变流器的控制策略,调整控制软件参数调节直流母线电压,把输入和输出不平衡的能量转化为发电机的动能,提高低电压穿越能力。
       对于恒速恒频直接并网的风电机组,采用无功补偿方案来实现LVRT功能,通过加装静态无功补偿装置 SVG或者静态同步补偿器STACOM来调节电压,可以满足并网标准对风电场LVRT功能的要求。
       三、不同机型的低电压穿越功能改造案例
       目前在运行的风力发电机组主要包括双馈式机组和直驱式机组及早期的恒速恒频异步发电机。
       1、双馈感应风力发电机组的低电压穿越改造
       SINOVEL公司通过采用220VAC UPS稳压电源使得在电网电压下降时,主回路各接触器反馈正常,保持机组与电网连接,采用主动式CROWBAR,释放转子侧较大电流,同时,以恒电压的方式通过转子侧变频器向电网输送无功使电网电压提升,在参数允许的范围内实现低电压穿越;当变流器检测到电网电压跌落到90%以下时,变流器和主控进入低电压穿越状态,在主动CROWBAR触发之前,变流器仍然可以接收、执行主控发送的有功和无功功率给定值;当主动CROWBAR触发之后,变流器不发送功率。暂态过程结束后,变流器执行主控发送的给定值。变流器的参数设定包括低电压保护参数、功率变化率、机组自启动条件和频率保护参数。
       2、直驱风力发电机组的低电压穿越改造
       MW级以上的直驱风力发电机组,其固有的全功率变流器把发电机和电网隔离,通过调整变流器的控制策略可以方便地实现低电压穿越功能;当电网发生故障时,变流器首先检测到并网点的电压降,变流器控制发电机运转并给直流电容充电,当直流电压达到一定值时,直流电容上的放电电阻被触发,能量通过制动电阻泄放,直到直流电压恢复正常,如果低电压持续时间超过变频器设定的保护参数,风电机组脱网。低电压穿越的整个过程是可控的,且电网侧变流器能持续发出无功电流,支持电网电压的恢复。
       而针对MW级以下的风电机组实现低电压穿越功能,GOLDWIND提供低电压穿越设备,加装该设备可以实现对早期风电机组的低压穿越改造。通过采用一套反并联晶闸管与一套背靠背变流器并联组成的设备来完成。
       当系统电压正常时,反并联晶闸管导通,能量从晶闸管回路送入电网;当装置检测到系统电压低于90%后,立刻进入低电压穿越状态,20ms内反并联晶闸管退出运行,同时变流器串联进入主回路开始工作;在网侧,变流器根据电压跌落情况向电网提供无功支撑电网,由于网侧电压低,导致变流器的直流电压被抬高,当直流电压达到上限时,放电电阻启动,能量通过直流放电电阻被泄放掉。如果系统故障2s内解除,变流器将退出运行,反并联晶闸管重新导通,将变流器“短路”,风机恢复正常的向电网送电状态;如果2s内故障没有解除,极端电压继续在90%以下,风机退出运行。
       3、异步风力发电机组的低电压穿越改造
       MITA公司的LVRT解决方案,可将风机与电网隔离开来,在风机端保持恒定的电压,其分流注入方案能够让风机可承受较大的电压跌落。
       低电压穿越系统为一个单独的控制柜,位于风机底部,连接风机和电网。当电压跌落发生时,消耗所发电量,防止风机跳闸,保护风机免受强大的机械震动,将风机重新联网,继续发电,其容性无功注入方案可以使得电网电压快速恢复平稳。
       四、风电场的改造方案
       通过在风电场加装附属设备,使并网点电压的大幅跌落转变为风机端电压的小幅跌落,从而实现风电机组的低压穿越功能。目前通常采用的方式包括:
       1、在升压站并联动态无功补偿设备,在故障期间快速注入无功电流支撑并网点电压,降低风电机组出口处的电压跌落幅度,并可以将变频器很难处理的单相不平衡跌落转化为三相平衡跌落,提高风电场的暂态稳定裕度。
       2、在升压站串联动态电压调节器DVR,可以对电网电压持续实时监控,每相电压跌落时间检测小于1ms,有利于变流器网侧电流的快速恢复及直流环节的稳定。
       3、在升压站安装可控串补TCSC,通过调节自身触发角快速改变自身阻抗及在靠近谐振点时阻抗呈现较大值的特性,可以有效地限制故障电流。
       4、在升压站安装串联制动电阻SDBR。
       5、安装快速储能装置。
       五、结束语
       本文通过对风电机组低电压穿越功能的介绍,比较了不同机型的改造方式。低压穿越作为并网风电机组的一项基本功能,今后仍将面临现场运行的考验,通过检测认证,严格把关,对已投运的机组逐步改造,使风电机组真正具备电网友好特征,从而更好地提高风电的开发利用效率,渐而实现风电的大规模应用。