关于风力发电机组低电压穿越技术改造的探讨

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【摘要】作为一种可再生的新型能源，风力发电技术已成为世界新能源领域探索的新方向。目前风力发电事业在我国发展相对成熟，风电单机容量不断增加，风电资源的利用程度明显提高。因此如何避免风机大面积脱网给电网带来安全隐患也就成了一个不容忽视的问题。作为一个可行性较高的解决办法，对发电机组低电压穿越技术的改造的研究刻不容缓。本文以华能集团吉林省通榆风电分公司的风力发电机组低电压穿越技术（LVRT）改造为实例，对这次改进进行探究，对其改进措施及其原理进行阐述与总结。

【关键词】风力发电机组；低电压；穿越；技术改造

1.前言

近几年，国内出现了数起风机大面积脱网事故，影响了电网的安全运行。为了满足电网安全稳定运行的需要，避免因风机大面积脱网而给电网带来安全隐患，风力发电机组需要具有低电压穿越性能。即风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%的额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；以及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能够保证不脱网连续运行的能力[1]。

本文以对华能集团吉林省通榆风电分公司对该风力发电机组进行LVRT（低电压穿越）技术改造为实例进行探讨。2012年底，华能集团吉林省通榆风电分公司对现场134台风力发电机组（ABB PLC+PM1000变频器）成功的进行了LVRT（低电压穿越）技术改造，使风力发电机组具备低电压穿越功能，满足了电网安全稳定运行的需要。

目前我国仍有一些安装了与该厂（华锐SL1500型1.5MW风力发电机组）相同或相似的风力发电机组的中、小型风力发电厂未进行合理改造。希望通过本文能够为风力发电机组的改造提供些许思路，进而为风力发电事业做出些许贡献。

2.改造措施

2.1 更换具备低电压穿越功能的GTE150-SBP变频器

同PM1000相比，GTE150-SBP提高了IGBT的容量[2]。在同等耐压等级下，将IGBT的最大电流值从300A提高到了450A；将直流母排电容的耐压限值从1100V提高到了1350V，容值从2000?F提高到4700?F；其正常工作电网电压下限值从621V降至552V；变频器也具备了低电压穿越控制策略，保证风机的不脱网低电压运行，完成穿越过程中对有功功率和无功功率的调节。故可通过换装贴有“主动CROWBAR、GTE协议”标签的GTE150-SBP，满足在电网电压跌落期间风机不脱网，且能够对电网进行无功补偿的要求。[3]

在安装变频器的过程中，我们发现变频器内部的230V继电器电流限值为6A。但是在实际并网时，网侧接触器线圈电流有可能超过这个值，过流严重时甚至会发生接口“粘连”，导致无法正常并网甚至损坏变频器，因此应在GTE变频器上额外增加一个230V继电器，用于提高变频器的并网驱动功率。继电器K352.2安装在NCC320控制柜左侧侧板上、并网接触器-K340.4上端不远处，如图1所示：

GTE变频器增加了网侧滤波电容电压检测功能，便于更好的实现网侧同步，检测线从K340.2.1/3/5端引出，这三根线连接到了LSC网侧输入滤波电容上，并送入变频器进行测量，可以用来检测网侧滤波电容电压。

2.2 更换主动CROWBAR

改造前的华锐SL1500型1.5MW风力发电机组及其它相似风力发电机组，一旦电网电压跌落，直流母排电压迅速升高，CROWBAR触发，转子电流通过CROWBAR电阻被泄放掉，被动CROWBAR采用的是晶闸管控制，关断不受控制，只有转子电流低于安全阈值时才能关断，如果风机不脱网，风机一直处于电动状态，转子电流不会下降到安全阈值内，所以为了关断CROWBAR，必须脱网。发生电压跌落后，电网比较脆弱，如果大批风机脱网，会对电网造成进一步冲击，而且风机的再次并网需要较长的时间，对于电网的恢复十分不利。而主动CROWBAR用IGBT模块替代晶闸管，实现了可控关断，除了有效防止电网电压跌落时直流母排过压造成的变频器及电容的损坏，还保证了在CROWBAR工作过程中，定子接触器和网侧接触器均保持在吸合状态，高效、可控的泄放转子电能。

在更换主动CROWBAR的过程中，本文建议对NCC320柜体进行改造。因为主动CROWBAR及电阻的外观结构与被动CROWBAR有很大区别，因此需要重新钻孔，确定安装位置。为了安装CROWBAR电阻，同时将电阻连接线引入NCC320柜，需要更换NCC320柜的顶板，顶板除了用于安装CROWBAR电阻，还要用于固定电阻外罩。此外，NCC310的顶板需要固定UPS及其外罩。

CROWBAR电路可固定在NCC320柜体左侧原CROWBAR处，CROWBAR泄放电阻可固定在NCC320柜顶部。电缆从顶盖的圆孔进入柜体，电阻外安装防护罩。新增加的CROWBAR控制电路24V保险应安装在NCC310柜内。

2.3 增加UPS（交流不间断电源）

对于未经改造的SL1500风机，一旦新改造的主动CROWBAR开始工作，风机的定子接触器和网侧接触器会立刻断开，而且在电网电压跌落期间，轮毂及机舱内会出现供电故障，导致变桨系统与主控系统无法正常工作，例如变桨刹车制动失灵，振动传感器失灵等。如果在230V供电回路中增加了230V交流UPS，就可以为系统中的网/机侧接触器线圈、轮毂24V、轮毂制动电源和振动传感器等供电，保证电网电压跌落期间风机电气系统的正常供电。[4]

安装UPS时，UPS可固定在NCC310顶板上，电源线及信号线可分别从顶板预留的方孔进入柜体。UPS外有防护罩，防护罩也可固定在顶板上。

本文建议将一个延时继电器（K134.7）随UPS装箱，这样就可以通过调节延时继电器的箭头所指时间，即延时时间，来控制继电器两灯的亮灭（继电器的绿灯U点亮时表明继电器的供电已正常，红灯R点亮时表明其线圈已得电，即辅助触点已动作）。

此外，由于考虑到原有的NCC300控制柜内的230V保险F134.6容量太小，容易烧毁，故本文建议更换容量更大的保险管，并更换保险及辅助开关。

3.低电压穿越技术改造测试

华能集团吉林省通榆风电分公司的低电压穿越技术改造后，2013年6月通过了吉林省电科院的测试，符合低电压穿越技术要求；通过近一年的运行实践，华能集团吉林省通榆风电分公司的风力发电机组具备了低电压穿越性能，在为电网的安全稳定运行创造了条件的同时，也证明了本文针对华锐SL1500型1.5MW风力发电机组改造方法的可行性与实用性。

3.1 电气连接

需要注意的是，部分SL1500柜体，PM1000变频模块的电源在并网之前由-T216.2提供，并网后由变频模块内部提供，该切换动作通过继电器K246.7工作。由于GTE变频器内部的24V电源不够稳定，尤其在电网电压跌落过程中容易出现因电压不稳导致的通信及控制故障，我们修改了控制策略，取消了这一切换过程，但是-K246.7仍然具有复位变频器的功能，这样既可以为变频器提供稳定的24V电源，也可以在塔基对变频器进行复位，避免了需要爬上塔顶才能复位变频器的弊病。

3.2 并网测试

并网测试可大致分以下四步：UPS测试、风机故障排查、空载测试和手动并网[5]。

（1）UPS测试

在箱变400V电源已提供的情况下，打开400V电源开关，等待10s，UPS通过延时继电器自动开启，变桨网侧接触器K210.2吸合，T216.2带电，输出供控制系统使用的24V电压，PLC启动，在PLC正常工作后，再将电池电源开关打开，一切正常说明延时继电器工作正常，UPS可以延时启动。

（2）风机故障排查

接通380VAC的电池组电源，在通讯面板上检查是否有故障存在。如有故障，则排除相应故障。如出现变频器通讯故障，检查变频器光纤连接是否正确。LVRT的PLC控制程序可以使操作人员同时看到4个变频器故障，从而防止了老版本程序中因为电网丢失（此时尚未恢复690V供电，报故障是正常现象）而无法观察到其它变频器故障的弊端；在排除故障之后，恢复690V供电。

（3）空载测试

变频器并网后应先空载5-10分钟，观察IGBT温度、滤波底板温度，温度无异常后再进行加载，水冷系统刚开始工作时，回路中可能存在气体，导致散热不均匀，水冷散热问题可能需空载5-10分钟方可发现（GTE150变频器的IGBT温度在65度以下均属正常）。

（4）手动并网

按照现场调试流程，对变频器进行测试。依次测试安全链触发、CROWBAR触发、并网、功率测试。如果在风机不转的前提下进行并网测试，会因为报ConErr100（启动转速低）故障而无法并网，因此必须在电机转速达到1300RPM后才能进行并网测试。

在机舱内测试风机，如果正常，开启风机，风力发电机组低电压穿越（LVRT）技术改造完毕。

参考文献

[1]魏林君，迟永宁，赵建国.双馈变速风电机组低电压穿越控制[J].电网与清洁能源，2009，25（2）：41-45.

[2]李峰，陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响[J].中国电力，2006，39（11）：80-84.

[3]王跻，罗成，邬冬临.对风力发电机组低电压穿越技术的探析[J].电工研究，2013，28（2）：35-36.

[4]华泽嘉，高聚，陶维，路凯.几种风力发电机组低电压穿越技术分析[J].东北电力大学学报，2012，32（6）：19-22.

[5]肖盛，张建华，郭世繁等.并网双馈风电机组低电压穿越能力研究[J].电网与清洁能源，2010，25（2）：70-71.

作者简介：

柳广兴（1992―），男，大学本科，现就读于江南大学物联网工程学院电气工程及其自动化专业。

陈莹（1993―），女，大学本科，现就读于江南大学物联网工程学院电气工程及其自动化专业。

孔凡更（1968―），电力安全工程师，现供职于华能吉林通榆风电分公司。