风电机组低电压穿越改造问题分析

风电机组低电压穿越改造问题分析

刘可心

关键字：风电机组；低电压穿越；改造问题

对于风电机组而言，低压穿越是其重要的性能之一，这会帮助出现问题的电网，可以在风电场电压下降至20%-90%的额定电压时，仍可以保持运作，进行并网，从而实现低压穿越，不为故障所影响，进而确保电力系统的运作正常，防止风电机组脱网。此外，当电网出现问题时，低压穿越可以维持并网的进行，从而为电网的自我修复提供缓冲时间，进而确保电力系统更加稳定，安全性能也大幅提高。

一、风电机组低电压穿越标准

根据国家能源局2009[1465]号文的要求规定，风电机组运行要满足Q/GDW392-2009《风电场接入电网技术规定》的要求，关于对低压穿越的要求主要有四点：第一，当电压恢复正常后，对风电机组的有功功率是有具体规定的，在电网出问题的规定时间内，那些还在电网运作内的风电场，在问题排除后需及时恢复有功功率，这里所说的及时是指恢复速率为：每秒增加10%的额定功率直至恢复正常值。第二，在风电机组进行并网时，倘若电压稳定在90%之上，那么机组可持续正常运作。第三，在电压降低的这段时间内，对于机组的无功功率的支撑能力也是有详细要求的，在电力系统出现三相短路问题时，风电机组的并网电压便会下降，当电压降到高于额度的20%，低于90%时，这时风电场的无功支撑若是发挥作用，便有助于电压的有效恢复。详细来讲，即：风电机组并网处的电压出现单相亦或是单相故障，致使电压降低，该机组可以根据上述原理继续工作，防止脱网。此时，运行下降的最大电压是额定值的五分之一，对于机组的运行时间要求为大于等于0.625s。第四，电网故障如果可以在两秒内解决，电压恢复正常，那么，这段时间内，要求机组必须和电网相连，不能脱离。二、风电机组低电压穿越改造问题

1、变频器低电压穿越治理系统概述

（1）变频器低电压穿越治理系统逻辑控制

控制单元输入信号：变频器运行状态接点信号；母线电压监测信号。输出信号：断路器、直流接触器的闭合断开信号。交流电压正常条件下低电压穿越治理系统投入过程：变频器电源端送入正常电压，变频器受电，内部CPU准备运行，DCS或PLC控制设备送来启动指令；模拟控制4～20mA电流决定变频器拖动电机的运行转速；等到系统正常运行后变频器状态接点闭合；低电压穿越治理系统控制单元接收到变频器正常运行状态指令后，向执行单元发出合闸指令，这时该回路在热备用状态；此次操作结束。变频器电源失电，控制单元给执行单元一个运行信号，低电压穿越治理系统给变频器直流母线供电，此过程变频器运行不间断。变频器电源供电恢复时其直流环节的电压应立刻上升；执行单元撤出对变频器的供电，变频器转为电源供电。母线电压未恢复，直流支撑系统给变频器供电时间不小于10s。

（2）变频器低电压穿越治理系统工作流程

系统直流输出母线由晶闸管和直流压差控制系统控制，正常运行时与变频器完全隔离。电网电压大于90%时，系统不工作，处于热备用状态。当电压跌落到0～90%范围内系统瞬时（＜200μs）启动工作，维持变频器直流母线电压在DC500V左右，保证变频器正常运行。当电网电压恢复时，系统自动退出工作状态，转为热备用状态，变频器自动转换由电网供电。当MFT动作或变频器停止运行时，系统自动退出，转为热备用状态。

2、变频器低电压穿越治理改造方案

通常，变频器采用“交－直－交”工作模式，主要有变频器功率回路和控制电源两部分。若要彻底解决变频器因电压低而跳闸的问题，就必须同时解决直流电源支撑问题和控制电源问题。考虑到变频器负荷转矩特性，计划为变频器加装低电压穿越电源装置。在系统发生低电压期间，低电压穿越装置输出稳定直流，可靠提供变频器直流电源，同时提供可靠的控制电源，保障变频器拖动系统的连续稳定运行。

系统主要由蓄电池组、电压暂降保护器、直流隔离单元、执行单元、监控单元等组成，交流电取自变频器输入端交流电源。当电压下降，监控单元检测到直流环节电压下降至低电压穿越保护系统预定阀值时，执行单元瞬间导通，由蓄电池对升压电路充电后，为变频器直流环节提供稳定直流电，保证高压继续运行。正常时，由微机充电装置对蓄电池组进行浮充电，变频器及低电压穿越电源装置的控制电源由单独配置的UPS系统提供。该方案优点是用部分蓄电池就可解决变频器深度低电压穿越问题，且系统供电可靠性高、对厂用电无冲击、投资相对较低、工程量少；缺点是需定期对蓄电池进行维护。

系统主要由功率变换模块、直流隔离单元、执行单元、监控单元等组成，选用机组１１０Ｖ直流系统作为高压低电压穿越装置的动力电源。当电压波动时，直流电源经过功率变换模块后，为变频器直流环节供给稳定直流电，保证高压继续运行。变频器及低电压穿越电源装置的控制电源由机组ＵＰS系统提供。该方案优点是无电池维护任务、可实现深度低电压穿越；缺点是一旦装置发生接地或短路故障，就会影响机组直流系统、ＵＰS系统的正常运行，且投资相对较高、工作量较大，需要单独敷设动力电缆。

3、变频器低电压穿越治理实现方法

对变频器进行了升级改造，实现了低电压穿越功能。当变频器输入电压幅值降低至一定范围内时，首先采用提高输出电压参考值的方法，保证装置的输出电压；如果不能满足，则降频运行。如果输入电压降低很多或者消失，在变频器软件中检测到高压消失后，将低电压穿越的过程分为几个区间，分别实施控制策略

区间Ⅰ：短时封脉冲，小于10ms的电压大幅度跌落，在电压跌落瞬间封锁输出，但变频器保持原来运行状态，电压恢复后，变频器不作调整直接恢复输出（此时会有小幅电流冲击）。

区间Ⅱ：变频器进入低电压穿越区，其封锁输出脉冲，电动机处于自然停车状态，且转速逐渐降低，变频器测量电动机定子侧反电动势（残压），从而对电动机转速进行估算；通过跟踪电动机的转速，估算出电源电压恢复正常时电动机的跟踪频率；当电源电压恢复时，使电动机从估算的跟踪频率开始工作。

区间Ⅲ：电动机残压太低无法检测，当电源电压恢复时，从最后测得的频率起动电动机。

区间Ⅳ：若失电时间大于电动机的自然停车时间，则电源电压恢复从0Hz起动电动机。

区间Ⅴ：如果很长时间没有恢复电源电压，则停机。

通过上述方法，在变频器电源电压偏低或失去时，不会引起变频器故障停机，从而为电厂的安全运行提供保障。在实际应用中，需要根据具体情况，比如电动机的运行性能、电厂的实际要求等，改变封锁脉冲输出的等待时间、估算电动机转速的加速度等变量，并进行灵活的设计。

4、效果评价

实施后，对改造后的变频器进行性能检测，情况如下：模拟变频器进线电源电压为90％额定电压，变频器能可靠供电，高压正常运行。模拟变频器进线电源电压跌落到60％额定电压持续5S，变频器能可靠供电，高压正常运行。模拟变频器进线电源电压跌落到20％额定电压持续0.5S，变频器能可靠供电，高压正常运行。测试结果表明，加装辅机电源控制系统后的变频器低电压穿越能力符合相关技术要求。

三、结束语

综上所述，风力发电技术，是促进人们生活提高的重要技术，也能够提供与相关区域，进行合理使用电力资源。风力发电技术的发展，也同样能够使人们的用电得到保障。风力发电低电压穿越技术，是保障风电机组正常运行，及保障风电机组正常发电的保障技术。对该技术进行重点研究，并开发，也能够使风力发电技术获得稳定，及进步。

参考文献：

[1]姜惠兰,李天鹏,吴玉璋.双馈风力发电机的综合低电压穿越策略[J].高电压技术,2017(06):324-330.

[2]风力发电机组低电压穿越测试与分析[J].电源技术,2017(6).\