低電壓穿越技術

低電壓穿越(Low voltage ride through，LVRT)，低電壓過渡能力，曾稱“低電壓穿越”。定義：小型發電系統在確定的時間內承受一定限值的電網低電壓而不退出運行的能力。

基本介紹

• 中文名：低電壓穿越
• 外文名：Low voltage ride through

穿越技術

問題的提出

對於變速恆頻雙饋風力發電機，在電網電壓跌落的情況下，由於與其配套的電力電子變流設備屬於AC/DC/AC型，容易在其轉子側產生峰值涌流，損壞變流設備，導致風力發電機組與電網解列。在以前風力發電機容量較小的時候，為了保護轉子側的勵磁裝置，就採取與電網解列的方式，風力發電的容量都很大，與電網解列後會影響整個電網的穩定性，甚至會產生連鎖故障。於是，根據這種情況，國外的專家就提出了風力發電低電壓穿越的問題。

LVRT概念

當電網發生故障時，風電場需維持一段時間與電網連線而不解列，甚至要求風電場在這一過程中能夠提供無功以支持電網電壓的恢復即低電壓穿越。

對於風力發電低電壓運行標準，主要以德國e.on netz公司提出的為參考。

雙饋風力發電機由於其自身機構特點，實現LVRT存在以下幾方面的難點：

1)確保故障期間轉子側衝擊電流與直流母線過電壓都在系統可承受範圍之內;

2)所採取的對策應具備各種故障類型下的有效性;

3)控制策略須滿足對不同機組、不同參數的適應性;

4)工程套用中須在實現目標的前提下儘量少地增加成本。

暫態過程分析

電網電壓跌落後DFIG運行的暫態過程分析(感覺這部分內容需要理論推導)

在電網電壓跌落情況下，風電機組中的雙饋感應發電機會導致轉子側過流，同時轉子側電流的迅速增加會導致轉子勵磁變流器直流側電壓升高，發電機勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產生振盪。這是因為雙饋感應發電機在電網電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產生直流分量，由於積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發生變化，而轉子繼續旋轉，會產生較大的滑差，這樣便會引起轉子繞組的過壓、過流。如果電網出現的是不對稱故障的話，會使轉子過壓與過流的現象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產生很高的滑差。過流會損壞轉子勵磁變流器，而過壓會使發電機的轉子繞組絕緣擊穿。

穿越技術

低電壓穿越技術一般有三種方案：一種是採用了轉子短路保護技術，二種是引入新型拓撲結構，三是採用合理的勵磁控制算法。本周我主要看了前兩種，以下分別介紹。

轉子短路保護技術

比較典型的crowbar電路有如下幾種：

(1)混合橋型crowbar電路，如圖1所示，每個橋臂有控制器件和二極體串聯而成。

(2)IGBT型crowbar電路，如圖2所示，每個橋臂由兩個二極體串聯，直流側串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。

(3)帶有旁路電阻的crowbar電路，如圖3所示，出現電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連線到轉子迴路中，這就為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。

拓撲結構

如圖4所示，這種結構與傳統的軟啟動裝置類似，在雙饋感應發電機定子側與電網間串聯反並可控矽電路。 在正常運行時，這些可控矽全部導通，在電網電壓跌落與恢復期間，轉子側可能出現的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網故障電壓大跌落所引起的的轉子側大電流衝擊，轉子側勵磁變流器選用電流等級較高的大功率IGBT器件，這樣來保證變流器在電網故障時不與轉子繞組斷開時的安全。電網電壓跌落再恢復時，轉子側最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統在轉子側所產生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發電機通過反並可控矽電路與電網脫網。脫網以後，轉子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應發電機，電壓一旦回升到允許的範圍之內，雙饋感應發電機便能迅速地與電網達到同步。再通過開通反並可控矽電路使定子與電網連線。這樣可以減小對IGBT耐壓、耐流的要求。對於短時間內能夠接受大電流的IGBT模組，可以減少雙饋感應發電機的脫網運行時間。轉子側大功率饋入直流側會導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴於直流側電容的大小，因此直流側設計crowbar電路，在直流側安裝電阻來作吸收電路，將直流側電壓限制在允許範圍內。

這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統的成本和控制的複雜性。考慮到定子故障電流中的直流分量，需要可控矽器件能通過門極關斷，這要求很大的門極負驅動電流，驅動電路太複雜。這裡的可控矽串聯電路如果採用穿透型IGBT的話，IGBT必須串聯二極體。而採用非穿透型IGBT的話，通態損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控矽開關的話，雖通態時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由於該方案在輸電系統故障時發電機脫網運行，因此對電網恢復正常運行起不到積極的支持作用。

通常雙饋感應發電機的背靠背式勵磁變流器採用的與電網並聯方式，這意味著勵磁變流器能向電網注入或吸收電流。為了提高系統的低電壓穿越能力，文獻提到了一種新的連線方式，即將變流器與電網進行串聯連線，比如，變流器通過發電機定子端的串聯變壓器實現與電網串聯連線，則雙饋感應發電機定子端的電壓為網側電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由於電網電壓跌落所造成的磁鏈振盪，從而阻止轉子側大電流的產生，減小系統受電網擾動的影響，達到強化電網的目的。但這種方式將增加系統許多成本，控制也比較複雜。

低電壓穿越能力是當電力系統中風電裝機容量比例較大時，電力系統故障導致電壓跌落後，風電場切除會嚴重影響系統運行的穩定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保證系統發生故障後風電機組不間斷併網運行。

風電機組應該具有低電壓穿越能力：

a)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持併網運行620ms的低電壓穿越能力;

b)風電場電壓在發生跌落後2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持併網運行;

c)風電場升壓變高壓側電壓不低於額定電壓的90%時，風電場必須不間斷併網運行。

風電機組低電壓穿越(LVRT)能力的深度對機組造價影響很大,根據實際系統對風電機組進行合理的LVRT能力設計很有必要。對變速風電機組LVRT原理進行了理論分析,對多種實現方案進行了比較。在電力系統仿真分析軟體DIgSILENT/PowerFactory中建立雙饋變速風電機組及LVRT功能模型。以地區電網為例,詳細分析系統故障對風電機組機端電壓的影響,依據不同的風電場接入方案計算風電機組LVRT能力的電壓限值,對風電機組進行合理的LVRT能力設計。結果表明, 風電機組LVRT能力的深度主要由系統接線和風電場接入方案決定。設計風電機組LVRT能力時,機組運行曲線的電壓限值應根據具體接入方案進行分析計算。

解決：需要改動控制系統，變流器和變槳系統。我國的標準將是20%電壓，625ms，接近awea的標準。

針對不同的發電機類型有不同的實現方法，最早採用也是最普遍的方案是採用CROWBAR,有的已經安裝在變頻器之中，根據不同的系統要求選擇低電壓穿越能力的大小，即電壓跌落深度和時間，具體要求根據電網標準要求。

風電製造商採用得較多的方法，其在發電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網系統故障出現電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發電機勵磁變流器，同時投入轉子迴路的旁路(釋能電阻)保護裝置,達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發電機不脫網運行(此時雙饋感應發電機按感應電動機方式運行)。也就是在變流器的輸出側接一旁路CRAWBAR，先經過散熱電阻,再進入三相整流橋,每一橋臂上為晶閘管下為一二極體，直流輸出經銅排短接.當低電壓發生後,無功電流均有加大，有功電流有短時間的震盪，過流在散熱電阻上以熱的形式消耗,按照不同的標準，能堅持的時間要根據電壓跌落值來確定。當然，在直流環節上也要有保護裝置.詳細就不討論.具體的討論再聯繫。FRT的實物與圖片可供大家參考。但是大家所提到的FRT只是老式的,新式是在直流環節有保護裝置，但輸出側仍是無源CRAWBAR。

crowbar觸發以後，按照感應電動機來運行，這個只能保證發電機不脫網，而不能向電網提供無功，支撐電網電壓。LVRT能提供電網支撐的風機很少，這個是LVRT最高的level。德國已經制定標準了。最後還是得增加轉子變頻器的過流能力。

另外，控制系統要嵌入動態電壓暫降補償器，當有暫降時瞬時將電壓補償上去，先保住控制系統不跳。ABB號稱採用了一種ACtive CROWBAR來實現低壓穿越功能。

低電壓穿越(LVRT)，指在風力發電機併網點電壓跌落的時候，風機能夠保持併網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而 “穿越”這個低電壓時間(區域)。LVRT是對併網風機在電網出現電壓跌落時仍保持併網的一種特定的運行功能要求。不同國家(和地區)所提出的LVRT要求不盡相同。在一些風力發電占主導地位的國家，如丹麥、德國等已經相繼制定了新的電網運行準則，定量地給出了風電系統離網的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續時間)，只有當電網電壓跌落低於規定曲線以後才允許風力發電機脫網，當電壓在凹陷部分時，發電機應提供無功功率。這就要求風力發電系統具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力，同時能方便地為電網提供無功功率支持，雙饋型風力發電技術是否能夠應對自如，學術界尚有爭論，而永磁直接驅動型變速恆頻風力發電系統已被證實在這方面擁有出色的性能。

技術規範

規範要求

1、適用於光伏發電站併網驗收、風電場接入併網驗收、光伏逆變器型式試驗、風力發電機組的低電壓穿越檢測平台，包括主要設備及其輔助設備的功能設計、結構、性能、安裝和試驗等方面的技術要求。

1、要求該檢測平台能夠同時滿足現場安裝在風電場的單颱風電機組低電壓穿越能力檢測，滿足光伏發電站併網接入驗收的低電壓穿越能力檢測，滿足光伏逆變器與風電發電機組的型式試驗的低電壓穿越試驗檢測。

1、所提出的是最低限度的技術要求,並未對一切技術細節做出規定,也未充分引述有關標準和規範的條文。供方應保證提供符合本規範書和工業標準的優質產品。

使用條件

1、環境條件

a)戶外環境溫度要求：－40℃~ 50℃；

b) 戶外環境濕度要求：0~90% ；

c) 海拔高度： 0~2000米（如果超過2000米，需要提前說明）。

2、安裝方式：標準海運貨櫃內固定式安裝。

3、儲存條件

a）環境溫度 －50℃～50℃；

b）相對濕度 0～95% 。

4、工作條件

a)環境溫度 －40 oC～40oC；

b)相對濕度 10%～90%，無凝露。

5、電力系統條件

a) 電網電壓最高額定值為35kV，電壓運行範圍為31.5kV~40.5kV；同時也可以同時滿足10kV\20kV電網電壓的試驗檢測。

b) 電網頻率允許範圍：48~52Hz；

c) 電網三相電壓不平衡度：<= 4%；

d) 電網電壓總諧波畸變率：<= 5%。

6、負載條件

負載包括直驅或雙饋式等風力發電機組，其總容量不大於6.0MVA。其控制和操作需要滿足國家關於風電機組電電壓穿越測試與光伏發電站的相關測試規程技術要求。

本檢測平台能夠同時滿足同等條件下光伏電站或光伏逆變器的低電壓穿越能力測試。

7、接地電阻：<=5Ω。