技术解析：风电并网技术之低电压穿越

质飞 · 发表于 2012-12-20 21:48

低电压穿越(LVRT)，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，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。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)所提出的LVRT要求不尽相同。目前在一些风力发电占主导地位的国家，如丹麦、德国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间)，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网，当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越(LVRT)能力，同时能方便地为电网提供无功功率支持，但目前的双馈型风力发电技术是否能够应对自如，学术界尚有争论，而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。
低电压穿越-具备能力
低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越(LowVoltageRideThrough，LVRT)能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。
风电机组应该具有低电压穿越能力：
a)风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力;
b)风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行;
c)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。
低电压穿越-对机组造价影响
风电机组低电压穿越(LVRT)能力的深度对机组造价影响很大,根据实际系统对风电机组进行合理的LVRT能力设计很有必要。对变速风电机组LVRT原理进行了理论分析,对多种实现方案进行了比较。在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/PowerFactory中建立双馈变速风电机组及LVRT功能模型。以地区电网为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,依据不同的风电场接入方案计算风电机组LVRT能力的电压限值,对风电机组进行合理的LVRT能力设计。结果表明,风电机组LVRT能力的深度主要由系统接线和风电场接入方案决定。设计风电机组LVRT能力时,机组运行曲线的电压限值应根据具体接入方案进行分析计算。
解决：需要改动控制系统，变流器和变桨系统。中国的标准将是20%电压，625ms，接近awea的标准。
针对不同的发电机类型有不同的实现方法，最早采用也是最普遍的方案是采用CROWBAR,有的已经安装在变频器之中，根据不同的系统要求选择低电压穿越能力的大小，即电压跌落深度和时间，具体要求根据电网标准要求。
风电制造商采用得较多的方法，其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)。
也就是在变流器的输出侧接一旁路CRAWBAR，先经过散热电阻,再进入三相整流桥,每一桥臂上为晶闸管下为一二极管，直流输出经铜排短接.当低电压发生后,无功电流均有加大，有功电流有短时间的震荡，过流在散热电阻上以热的形式消耗,按照不同的标准，能坚持的时间要根据电压跌落值来确定。当然，在直流环节上也要有保护装置.详细就不讨论.具体的讨论再联系。FRT的实物与图片可供大家参考。但是大家所提到的FRT只是老式的,新式是在直流环节有保护装置，但输出侧仍是无源CRAWBAR。

crowbar触发以后，按照感应电动机来运行，这个只能保证发电机不脱网，而不能向电网提供无功，支撑电网电压。现在LVRT能提供电网支撑的风机很少，这个是LVRT最高的level。德国已经制定标准了。最后还是得增加转子变频器的过流能力。
另外，控制系统要嵌入动态电压暂降补偿器，当有暂降时瞬时将电压补偿上去，先保住控制系统不跳。ABB号称采用了一种ACtiveCROWBAR来实现低压穿越功能。
低电压穿越-技术实现
目前的低电压穿越技术一般有三种方案：一种是采用了转子短路保护技术，二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法。本周我主要看了前两种，以下分别介绍。
1、转子短路保护技术(crowbar电路)
这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其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)。
目前比较典型的crowbar电路有如下几种：
(1)混合桥型crowbar电路，如图1所示，每个桥臂有控制器件和二极管串联而成。
(2)IGBT型crowbar电路，如图2所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻。
(3)带有旁路电阻的crowbar电路，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。
2、引入新型拓扑结构
在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率IGBT器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，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。再通过开通反并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，因此直流侧设计crowbar电路，在直流侧安装电阻来作吸收电路，将直流侧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。
通常双馈感应发电机的背靠背式励磁变流器采用与电网并联方式，这意味着励磁变流器能向电网注入或吸收电流。为了提高系统的低电压穿越能力，文献提到了一种新的连接方式如图5b，即将变流器与电网进行串联连接，比如，变流器通过发电机定子端的串联变压器实现与电网串联连接，则双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。这样便可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效的抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡，从而阻止转子侧大电流的产生，减小系统受电网扰动的影响，达到强化电网的目的。但这种方式将增加系统许多成本，控制也比较复杂。
低电压穿越-存在难点
1)确保故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压都在系统可承受范围之内;
2)所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性;
3)控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性;
4)工程应用中须在实现目标的前提下尽量少地增加成本
低电压穿越-规模化工况低电压穿越
金风科技于10月下旬率先在国内通过规模化工况条件下的低电压穿越测试。此举印证了直驱永磁的天然并网优势，将有力推动金风科技全面打造“电网友好型”产品，进一步为客户发现和创造价值。
本次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%。电网和投资商对此次测试结果表示了一致认可。
低电压穿越是当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，风力发电机组能够不间断并网，从而维持电网的稳定运行。
在此之前，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低电压穿越测试。
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。
低电压穿越-相关信息
新的电网规则要求在电网电压跌落时，风力发电机能像传统的火电、水电发电机一样不脱网运行，并且向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网电压恢复，从而“穿越”这个低电压时期(区域)，这就是低电压穿越(LVRT)。
双馈风电机组低压穿越技术的原。理:在外部系统发生短路故障时，双馈电机定子电流增加，定子电压和磁通突降，在转子侧感应出较大的电流。转子侧变流器直接串连在转子回路上，为了保护变流器不受损失，双馈风电机组在转子侧都装有转子短路器。当转子侧电流超过设定值一定时间时，转子短路器被激活，转子侧变流器退出运行，电网侧变流器及定子侧仍与电网相连。一般转子各相都串连一个可关断晶闸管和一个电阻器，并且与转子侧变流器并联。电阻器阻抗值不能太大，以防止转子侧变流器过电压，但也不能过小，否则难以达到限制电流的目的，具体数值应根据具体情况而定。外部系统故障清除后，转子短路器晶闸管关断，转子侧变流器重新投入运行。在定子电压和磁通跌落的同时，双馈电机的输出功率和电磁转矩下降，如果此时风机机械功率保持不变则电磁转矩的减小必定导致转子加速，所以在外部系统故障导致的低电压持续存在时，风电机组输出功率和电磁转矩下降，保护转子侧变流器的转子短路器投入的同时需要调节风机桨距角，减少风机捕获的风能及风机机械转矩，进而实现风电机组在外部系统故障时的LVRT功能。
目前，风力发电技术领先的国家，如丹麦、德国、美国已经相继定量的给出了风力发电系统的低电压穿越的标准。图为美国电网LVRT标准，从图中曲线可以看出:曲线以上的区域是风电场需要保持同电力系统连接的部分，只有在曲线以下的区域才允许脱离电网。风电场必须具有在电网电压跌落至额定电压15%能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力;风电场并网点电压在发生跌落故障后3s内能够恢复到额定电压的90%时，
风电场必须保持并网运行。只有当电力系统出现在曲线下方区域所示的故障时，才允许风力发电系统同电力系统脱离。

江海直达 · 发表于 2012-12-20 22:07

LowVoltageRideThrough，LVRT:翻译成：‘低电压穿越’；是来自教科书吗？还是你的主观想法？

质飞 · 发表于 2012-12-20 22:08

江海直达发表于 2012-12-20 22:07
LowVoltageRideThrough，LVRT:翻译成：‘低电压穿越’；是来自教科书吗？还是你的主观想法？

看的文章转的我的英语不好嘎嘎

江海直达 · 发表于 2012-12-20 22:17

江海直达发表于 2012-12-20 22:07
LowVoltageRideThrough，LVRT:翻译成：‘低电压穿越’；是来自教科书吗？还是你的主观想法？

请仔细阅读，What is realy meaning of 'low voltage ride through'

In electricity supply and generation, low voltage ride through (LVRT), or fault ride through (FRT), is what an electric device, especially wind generator, may be required to be capable of when the voltage in the grid is temporarily reduced due to a fault or load change in the grid. The voltage may be reduced in one, two or all the three phases of the AC grid. The severity of the voltage dip is defined by the voltage level during the dip (may go down to zero) and the duration of the dip.

Depending on the application the device may, during and after the dip, be required to:

disconnect temporarily from the grid, but reconnect and continue operation after the dip
stay operational and not disconnect from the grid
stay connected and support the grid with reactive power (defined as the reactive current of the positive sequence of the fundamental[1])

For generating units such as wind turbines and solar power stations, the required LVRT behaviour is defined in grid codes issued by the grid operator. Examples of the such grid codes are the German BDEW grid code [2] and its supplements 2 [3] and 3 [4] as well as UK National Grid code [5]

For critical loads such as power supplies for computer centers and industrial processes the required LVRT performance is defined by the application. Often a special device called uninterruptible power supply (UPS) is used to provide power to the critical load during the voltage dip.

Testing of the devices with less than 16 Amp rated current is described in the standard IEC 61000-4-11 and for higher current devices in IEC 61000-4-34

For wind turbines the LVRT testing is described in the standard IEC 61400-21 (2nd edition August 2008) More detailed testing procedures are stated in the German guideline FGW TR3 (Rev.22).

水平 · 发表于 2012-12-28 23:16

你们真的相信风电么？

质飞 · 发表于 2012-12-28 23:32

水平发表于 2012-12-28 23:16
你们真的相信风电么？

你觉得呢？？？

[风电] 技术解析：风电并网技术之低电压穿越