基于风电机组低电压问题探索与研究

摘要：本文主要详细论述了电网电压跌落的原理及其对风力机系统的影响问题。本文是个人的一些观点和看法，望能为同行提供一定的参考价值。 

关键词：风电机组；电压跌落；低电压穿越；

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一、前言

线路上出现短路现象是电网出现电压瞬时跌落的主要原因之一。线路短路包括相对地短路和相间短路, 表现为三相对称故障和三相不平衡故障。当短路故障发生时, 电网电压迅速跌落, 而当故障恢复时, 电网电压也随之恢复, 跌落时间维持的长短、跌落和恢复时的电压变化梯度, 均与电网短路容量、故障发生位置和故障发生的类型有关。具体到某一个风电场, 研究此节点的电压跌落现象时可发现, 电压跌落的严重程度与故障点电气距离远近、节点固有的无功电压支撑能力有密切关系。同样, 风电场运行状态也会影响到电网电压跌落的程度, 在距离电网故障点同样的位置, 风电场满负荷运行和轻载运行情况下, 故障导致的电压跌落程度前者将表现得更为严重。当一个地区电网上所吸收的风力发电容量还很低时, 通常在出现电网电压跌落时, 允许风电场进行自我保护和脱网。但是, 当风力发电机组单体容量持续增加, 同一地区风力发电容量所占比例达到一定量的时候, 在电网出现故障的时候风电场如果也立即采取脱网保护措施, 有可能导致电网故障扩大, 造成更大损失。因此, 现在越来越多的国家或地区电网公司提出要求, 风电场应具备低电压穿越能力。也即, 当电网电压瞬时跌落时, 风力机应维持工作状态不脱网, 当故障恢复后, 能快速进入正常功率输出状态。我国LVTR提出的要求是: 风电场并网点电压在电压轮廓线及以上区域内时, 场内风电机组必须保证不间断并网运行, 并网点电压在图中电压轮廓线以下时,场内风电机组允许从电网切出。规定的风电场低电压穿越要求为: ①风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至 20% 额定电压时能够保持并网运行 625 ms 的低电压穿越能力;②风电场并网点电压在发生跌落后 3 s 内能够恢复到额定电压的 90% 时, 风电场内的风电机组保持并网运行。

二、电压跌落对机组的影响问题分析研究

电网电压跌落对风电机组的影响主要表现在 3个方面: ①机械和电气转矩的不平衡影响系统稳定运行; ②暂态过程导致发电机过电流, 可能损坏电气部件, 如 IGBT;③附加的转矩或应力可能损坏机械部件。风力发电场通过升压变压站耦合连接到大电网上, 而风力发电机与风电场内的电网也是通过变压器直接耦合的, 这种直接藕合使得电网电压的降落直接反映在风力机端电压上。采用双馈结构的发电机, 其定子端电压即风力机并网点电压, 因此电压跌落也直接反映在发电机端电压上, 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。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, 对风力机齿轮箱等机械部件构成冲击, 影响风力机的运