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【摘 要】电力系统对风电场接入电网时的要求愈来愈严苛，而低电压穿越被公认为风电机组设计及控制的难点，制约着风电机组的大规模应用，本文笔者结合多年实践简要探讨了风电机组低电压穿越的问题。
【关键词】风电;低电压穿越;应用设计
引 言
低电压穿越（LVRT，Low voltage ride through），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区。所以，LVRT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。
1、风机低电压穿越的要求
通俗而言，LVRT就是风电机组的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至继续为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越能力的风力发电机能大大减少风电机组在故障时反复并网次数和对电网的冲击，因为其可躲过保护动作时间，故障切除后恢复正常运行。
在出现电网故障电压降低的情形下，具备了低电压穿越能力的风电机组则可尽最大可能与电网连接，延续电力运能，减轻电网波动。一般而言，230KV及以上高电压等级线路的故障，在6个周波(120ms)内被切除，100ms内电压可恢复到15%的正常水平，而1s内可恢复到75%的正常水平甚至更高的电压水准，低电压穿越能力实则是一种风电机组在故障电压短时间消失期间，能够保持持续运行的能力，但此后电压仍处在低压，则风电机组则将会被低压保护装置切除。
对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省级电网（区域级电网），则要求该电网区域内运行的风电场应具备低电压穿越能力。通常要求，风电场内的风电机组要具备在并网点电压跌至额定电压的20%时，能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。此外，当电网发生三相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生两相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生单相接地短路故障引起的并网点电压跌落状况下，风电场并网点各线电压在规定电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须要具备保证不脱网连续运行的能力；风电场并网点任意相电压低于或部分低于规定电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。
2、低电压穿越方案
在当前技术条件下，通常通过三种方案来实现风电机组的低电压穿越，其一是引入新型拓扑结构；其二是采用转子短路保护技术；其三是采用合理的励磁控制算法。
在了解了电网电压突然降低对发电机造成的影响及后果后，我们就会知道为什么风电机组应该具备低电压穿越的能力。在电网故障出现时，发电机机端电压的突然降低，势必形成发电机绕组磁通的变化，在定子和转子侧都形成过流。在传统机组中，励磁系统可以通过强励方式把电压支撑在1 pu，可以支持短路点的短路电流，如果发生磁通突变，如果转子和定子的超载能力仍在过流数值之上，机组仍能保持造成运行。在系统发生故障后，LVRT能力可以保证风电机组的不间断并网运行，如果LVRT不具备，则发生电网电压跌落状况下，风机自身的保护系统动作会切断风机与电网的连接，电网电压会降的更低，这对电网而言无疑是雪上加霜的打击，严重情况下势必引发系统整体崩溃。
风电机组相对于传统机组而言，在低电压穿越时要考虑诸多因素，包括：附加的应力、转矩对机械部分造成损坏的可能性；电气、机械功率的不平衡对机组稳定运行的影响（若电网发送低电压穿越，由于电气、机械功率的不平衡会影响机组的稳定运行）；暂态过程引发的发电机过流问题，对机组器件的损坏性影响（暂态过程会导致发电机中出现过流，可能损坏器件，另外，附加的转矩、应力可能损坏机械部分）；机端电压支撑能力；高风速期间，输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，引发大面积的停电的肯能行，以及继而带来的频率稳定问题等。
3、低电压穿越的难点及实现对策
低电压穿越的难点主要体现在以下方面：首先是风电场、风电机组的低电压穿越能力的提升，势必会大幅度增加工程的造价，随着电网对LVRT要的越来越高，工程造价的提升幅度也一定会越来越大；其次，当电网电压跌落时，不同类型机组的暂态特性时不同的。就目前而言，风电市场上的机组类型大概有：FSIG、PMSG和DFIG，也即：直接并网的定速异步电机、同步直驱式风机、双馈异步式风机。
FSIG和DFIG的相同点是定子侧直接连接电网。那么该直接耦合模式就会使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上，在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，而转子继续旋转，从而产生大滑差，势必造成转子绕组过压过流。如果风速高，即使切除了故障，DFIG的电磁转矩有所增加，对于电机转速的上升也不容易抑制，会使得吸收的无功功率继续增加，定子端电压下降，继而阻碍电网电压的恢复。
PMSG的定子经AC／DC／AC与电网相连，发电机和电网不存在直接耦合。瞬间降低的电网电压会导致输出功率减小，发电机的输出功率不变，这种功率不匹配引发直流母线电压升高。
FSIG机型较早，鼠笼式转子从电压跌落到恢复的时间内能承受短时过流而不会受损烧毁。故障发生后，利用快速变桨降低输入机械转矩，限制转速提升，加装无功补偿装置，实时进行无功补偿可解决；由于PMSG的定子经变流器接电网，与电网解耦，电网电压降落不会影响发电机，只会对网侧变流器的运行产生一定影响，允许网侧逆变器电流加大以输出更多的能量，改进变流器的过流和耐压值，提高直流电容的额定电压，储存额外电能，以此实现LVRT；DFIG受到小容量变流器制约会在电压跌落时受较大威胁，通过增大IGBT（转子变流器）电流容量，使得IGBT在短期内处理更大的电流容量和电流，且可以快速地恢复对双馈电机定子侧和电网之间的有功、无功功率的交换控制。
风力发电的发展趋势必定是建立更多具备低电压穿越能力的风电场。现行的低电压穿越技术仅能应对短时间的电压跌落，且还存在诸多不足。在我国，面对具体区域电网和具体接入点如何合理的运用低电压穿越技术，是摆在电网、风电运营商、和风机厂商面前亟待解决的共同课题。
参考文献
[1]吴蓂高.风力发电的现状与展望[J].水利水电科技进展. 2000(03)
[2]纪勇.风电并网对电网安全的影响[J].农村电气化. 2009(03)
[3]包能胜,徐军平,倪维斗.以大型风电场为核心的多能源互补发电系统[J]. 中国能源. 2006(08)
【关键词】风电;低电压穿越;应用设计
引 言
低电压穿越（LVRT，Low voltage ride through），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区。所以，LVRT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。
1、风机低电压穿越的要求
通俗而言，LVRT就是风电机组的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至继续为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越能力的风力发电机能大大减少风电机组在故障时反复并网次数和对电网的冲击，因为其可躲过保护动作时间，故障切除后恢复正常运行。
在出现电网故障电压降低的情形下，具备了低电压穿越能力的风电机组则可尽最大可能与电网连接，延续电力运能，减轻电网波动。一般而言，230KV及以上高电压等级线路的故障，在6个周波(120ms)内被切除，100ms内电压可恢复到15%的正常水平，而1s内可恢复到75%的正常水平甚至更高的电压水准，低电压穿越能力实则是一种风电机组在故障电压短时间消失期间，能够保持持续运行的能力，但此后电压仍处在低压，则风电机组则将会被低压保护装置切除。
对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省级电网（区域级电网），则要求该电网区域内运行的风电场应具备低电压穿越能力。通常要求，风电场内的风电机组要具备在并网点电压跌至额定电压的20%时，能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。此外，当电网发生三相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生两相短路故障引起的并网点电压跌落状况下、当电网发生单相接地短路故障引起的并网点电压跌落状况下，风电场并网点各线电压在规定电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须要具备保证不脱网连续运行的能力；风电场并网点任意相电压低于或部分低于规定电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。
2、低电压穿越方案
在当前技术条件下，通常通过三种方案来实现风电机组的低电压穿越，其一是引入新型拓扑结构；其二是采用转子短路保护技术；其三是采用合理的励磁控制算法。
在了解了电网电压突然降低对发电机造成的影响及后果后，我们就会知道为什么风电机组应该具备低电压穿越的能力。在电网故障出现时，发电机机端电压的突然降低，势必形成发电机绕组磁通的变化，在定子和转子侧都形成过流。在传统机组中，励磁系统可以通过强励方式把电压支撑在1 pu，可以支持短路点的短路电流，如果发生磁通突变，如果转子和定子的超载能力仍在过流数值之上，机组仍能保持造成运行。在系统发生故障后，LVRT能力可以保证风电机组的不间断并网运行，如果LVRT不具备，则发生电网电压跌落状况下，风机自身的保护系统动作会切断风机与电网的连接，电网电压会降的更低，这对电网而言无疑是雪上加霜的打击，严重情况下势必引发系统整体崩溃。
风电机组相对于传统机组而言，在低电压穿越时要考虑诸多因素，包括：附加的应力、转矩对机械部分造成损坏的可能性；电气、机械功率的不平衡对机组稳定运行的影响（若电网发送低电压穿越，由于电气、机械功率的不平衡会影响机组的稳定运行）；暂态过程引发的发电机过流问题，对机组器件的损坏性影响（暂态过程会导致发电机中出现过流，可能损坏器件，另外，附加的转矩、应力可能损坏机械部分）；机端电压支撑能力；高风速期间，输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，引发大面积的停电的肯能行，以及继而带来的频率稳定问题等。
3、低电压穿越的难点及实现对策
低电压穿越的难点主要体现在以下方面：首先是风电场、风电机组的低电压穿越能力的提升，势必会大幅度增加工程的造价，随着电网对LVRT要的越来越高，工程造价的提升幅度也一定会越来越大；其次，当电网电压跌落时，不同类型机组的暂态特性时不同的。就目前而言，风电市场上的机组类型大概有：FSIG、PMSG和DFIG，也即：直接并网的定速异步电机、同步直驱式风机、双馈异步式风机。
FSIG和DFIG的相同点是定子侧直接连接电网。那么该直接耦合模式就会使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上，在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，而转子继续旋转，从而产生大滑差，势必造成转子绕组过压过流。如果风速高，即使切除了故障，DFIG的电磁转矩有所增加，对于电机转速的上升也不容易抑制，会使得吸收的无功功率继续增加，定子端电压下降，继而阻碍电网电压的恢复。
PMSG的定子经AC／DC／AC与电网相连，发电机和电网不存在直接耦合。瞬间降低的电网电压会导致输出功率减小，发电机的输出功率不变，这种功率不匹配引发直流母线电压升高。
FSIG机型较早，鼠笼式转子从电压跌落到恢复的时间内能承受短时过流而不会受损烧毁。故障发生后，利用快速变桨降低输入机械转矩，限制转速提升，加装无功补偿装置，实时进行无功补偿可解决；由于PMSG的定子经变流器接电网，与电网解耦，电网电压降落不会影响发电机，只会对网侧变流器的运行产生一定影响，允许网侧逆变器电流加大以输出更多的能量，改进变流器的过流和耐压值，提高直流电容的额定电压，储存额外电能，以此实现LVRT；DFIG受到小容量变流器制约会在电压跌落时受较大威胁，通过增大IGBT（转子变流器）电流容量，使得IGBT在短期内处理更大的电流容量和电流，且可以快速地恢复对双馈电机定子侧和电网之间的有功、无功功率的交换控制。
风力发电的发展趋势必定是建立更多具备低电压穿越能力的风电场。现行的低电压穿越技术仅能应对短时间的电压跌落，且还存在诸多不足。在我国，面对具体区域电网和具体接入点如何合理的运用低电压穿越技术，是摆在电网、风电运营商、和风机厂商面前亟待解决的共同课题。
参考文献
[1]吴蓂高.风力发电的现状与展望[J].水利水电科技进展. 2000(03)
[2]纪勇.风电并网对电网安全的影响[J].农村电气化. 2009(03)
[3]包能胜,徐军平,倪维斗.以大型风电场为核心的多能源互补发电系统[J]. 中国能源. 2006(08)