低电压穿越的概念

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什么是低电压穿越

什么是低电压穿越（LVRT）？

LVRT：Low Voltage Ride Through

当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。

《国家电网公司风电场接入电网技术规定 （修订版）》中对风电场低电压穿越的要求如下：

a) 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625ms 的低电压穿越能力；

b) 风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。

低电压穿越能力

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，电力系统故障致使电压跌掉队，风电场切除会严峻阻碍系统运行的稳固性，这就要求风电机组具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力，保证系统发生故障后风电机组不中断并网运行。

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。

低电压穿越能力是什么？

低电压穿越能力是当电力中风电装机容量较大时，电力系统故障致使电压跌掉队，风电场切除会严峻阻碍系统运行的稳固性，这就要求风电机组具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），保证系统发生故障后风电机组不中断并网运行。

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。

风电机组低电压穿越（LVRT）能力的深度对机组造价阻碍专门大,依如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中成立双馈变速风电机组及LVRT功能模型。以地域电网为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的阻碍,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。结果说明,风电机组LVRT能力的深度要紧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依照具体接入方案进行分析计算。

解决：需要改动操纵系统，变流器和变桨系统。我国的标准将是20%电压，625ms，接近awea[美国风能协会]的标准。

针对不同的发电机类型有不同的实现方式，最先采纳也是最普遍的方案是采纳CROWBAR（直流侧过压爱惜电路）,有的已经安装在变频器当中，依照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刻，具体要求依照电网标准要求。

风电制造商采纳得较多的方式，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显现电压跌落时，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）爱惜装置,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（现在双馈感应发电机按感应电动机方式运行）。也确实是在变流器的输出侧接一旁路CRAWBAR，先通过散热电阻,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，有功电流有短时刻的震荡，过流在散热电阻上以热的形式消耗,依照不同的标准，能坚持的时刻要依照电压跌落值来确信。固然，在直流环节上也要有爱惜装置.详细就不讨论.具体的讨论再联系。FRT的实物与图片可供大伙儿参考。可是大伙儿所提到的FRT只是老式的,新式是在直流环节有爱惜装置，但输出侧仍是无源CRAWBAR。      

crowbar触发以后，依照感应电动机来运行，那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。此刻LVRT能提供电网支撑的风机很少，那个是LVRT最高的level。德国已经制定标准了。最后仍是得增加转子变频器的过流能力。

       另外，操纵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，先保住操纵系统不跳。ABB号称采纳了一种ACtive CROWBAR来实现低压穿越功能。

     并网风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源技术。并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式，主要有输电线路短路或断路，如三相对地，单相对地以及线间短路或断路等，它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型，其发电设备为双馈感应发电机，当出现电网故障时，现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（fault ride-through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(low voltage ride-through)能力。为此，国际上已有一些新的电网运行规则被提出。例如：德国北部的电力公司 netz公司)要求风电场能够在图1所示的电压范围内(即图中阴影区)不脱网运行[1][33]，电网电压跌落到15%以后风电机组不脱网运行时间须持续达300ms，当电网电压跌落低于曲线后才允许风电机组脱网。这里电压指的是风电场连接点的电压。而为英国部分地区供电的national grid电力公司则要求当高于200kv的输电线路发生故障时，所有并网运行的电站或风电场必须在140ms内保持不脱网运行[2]。另外苏格兰电力公司(scottish hydro-electric公司)对电网故障时电站或风电场不脱网运行也有类似的要求[3]。

图1  netz公司对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求[33]

    为了提高风电机组的低电压穿越能力，必须针对当前主流风电机组中的双馈感应发电机的运行特点进行研究，研究它们在电网故障与故障恢复过程中的暂态行为，消除或减轻在不离网控制情况下可能引起的机组损害。许多文献[4-7]报道了在电网电压跌落情况下，风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机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，从而会产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。如果电网出现的是不对称故障的话，会使转子过压与过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器，而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保护发电机励磁变流器，采用过压、过流保护措施势在必行。

为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应新电网运行规则的要求，国内外学术界和工程界对电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。据文献的报道，当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（crowbar protection），二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法。下面逐一分析介绍。

2 转子短路保护技术[8]     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[9]，如图2所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

                    图2 混合桥型crowbar

         (2) igbt型crowbar电路[9]，如图3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。

                    图3 igbt型crowbar

        (3) 带有旁路电阻的crowbar电路[10]，如图4所示，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。

               图4 旁路电阻型crowbar