风电机组故障穿越功能
1、低电压穿越功能描述
风电机组低电压穿越（LVRT-Low Voltage Ride Through）能力：指当端电压降低到一定值的情况下，风电机组不脱离电网而继续维持运行，甚至还可以为系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压的能力。**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（20%-90%）内，风电机组能够不脱网运行2s，并提供无功支持，支持电网电压恢复。
要求风电场最低电压穿越的持续时间为 0.625s，风电场最低穿越电压为 0.2pu。其中0.625s 为后备保护时间（0.5s）加上保护启动延时时间（约为 0.125s）。风电场最低穿越电压取为 0.2pu 主要是考虑了当风电场附近线路发生短路故障时，风电场并网点的电压大都降低到 0.2pu左右。
风力发电机在低电压穿越时，要考虑以下因素：①机端电压支撑能力。②机械、电气功率的不平衡会影响机组稳定运行。③暂态过程导致发电机中出现过流，可能损坏器件。④附加的转矩、应力可能损坏机械部分。 ⑤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，甚至可能引起大面积的停电，进而带来频率的稳定问题。
双馈风电机组结构简图如图所示，双馈感应电机（DFIG）定子侧直接与电网相连，变流器系统向转子侧提供励磁电流。
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图 双馈异步发电机结构简图
机组兼有软穿越和硬穿越两种功能。软穿越功能指在硬件不做任何调整的情况下，通过变频器的软件调节励磁控制信号和CROWBAR的配合动作，保障在电网电压跌落时变流器处于安全工作状态。但是，由于电气元件自身的工作状态受到电压的影响，在软穿越情况下，低电压穿越能力有限。硬穿越作为软件穿越的补充，对低电压穿越能力进行扩充，使得风力机在更严重电压跌落时可实现故障穿越。
风电机组故障穿越功能
1.1 软穿越功能
双馈风电机组可满足端电压下降至额定电压的70%时仍与电网连接（LVRT），除此之外还可以满足端电压上升至额定电压120%时仍与电网连接（HVRT），这都是通过优化变流器系统的控制软件来实现的软穿越。SRT如图所示。
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软穿越是基于鲁棒控制（Robust Control）概念的一种软件实现LVRT功能的方式。Robust Control用于适应风电机组独特的由于风能的不确定性导致的动态特性。当网侧电压下降时，变流器通过增加电网侧变流器电流来努力使功率输出维持恒定，但电流必须在允许的最大限值Imax以内，一旦超过Imax，会导致变流器自保护停机系统，这是为了防止功率变换系统的损坏。因为过流会导致IGBT结温过高，从而使IGBT这种功率半导体器件损坏。但是允许短时超过Imax，只要确保变流器冷却系统可以使IGBT在随后一定时间内降低温度至允许范围即可。为了使基于IGBT的变流器可以在最优的运行，所以引出了由Robust Control定义的运行周期。这种运行周期是针对风电系统真实情况而建立的模型，该系统可以在最大负载和最小负载间周期性变化。因此Robust Control可以实现如下两种功能：其一，可以限定输出的有功功率，以向电网输出最大电能；其二，可以降低无功其二，可以降低无功功率以确保最大的有功功率输出。Robust Control在变流器系统上的体现就是通过限定一些值而使得风电机组可以在不脱网的情况下运行。这种“软穿越”技术的应用允许风电机组在更宽的电压和频率范围内运行，由于这种对电网的适应性的提高也使得风电机组有更高的稳定性，而且不脱网的同时还可以稳定电网。
1.2 硬穿越功能
硬穿越能力曲线如下：
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具体要求为：
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；
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，风电机组保持并网运行。
为保障硬件穿越能力，以下设备经过特殊设计：
1）控制元件持续供电
变流器中的一些控制元器件由于都是电网供电，当电压跌落时，为了保证控制元器件保持在正常的工作状态，需要连续供电，直至电网电压恢复正常。
对应措施：变流器配备UPS设备，对关键部件进行辅助供电。
直流过压保护线路
对于双馈发电机，定子侧联接电网，电压跌落将感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流，导致直流母排的电压过高，对脆弱的电力电子器件构成威胁。
对应措施：采用IGBT开关控制的卸载保护回路（直流回路耗能系统），同时利用主动型Crowbar阻止直流母排电压超过允许的最大电压。
风电机组故障穿越功能
2.低电压的产生
2.1 电网故障：
电气设备故障；电力线路短路；电力系统发生震荡等；发电机组跳闸停机。
2.2无功缺乏：
用户端无功补偿不足，感性负荷过多；电源端无功不足，机组无功出力不足；大型机组跳闸、电源点切除或联络线切除造成有功不足。
2.3电网方式不合理：
线路过长；输电线路末端没有发电厂支撑；单电源负荷线路；线路线径不足损耗过高；变压器有载调压开关位置不合理。
风电机组故障穿越功能
3.低电压的表现形式
3.1瞬时低电压或过电压：
突然断电；电网短路故障或线路、机组跳闸；操作引起的电压波动（重合闸动作、投切电容或电感、改变运行方式、机组启停、大用户启停）。
3.2稳态低电压或过电压：
线路过长负载过重；输电线路末端没有发电厂支撑；线路线径不足耗损过高；变压器有载调压开关位置不合理；无功补偿不足；谐振或震荡。
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4.电网故障时风力机无功电流的控制
发生电压突降时，风力机的控制策略发生变化，由功率控制转为电流控制。从而使得风力机可选择性向电网提供无功电流以实现电压控制，无功功率控制与风力机实际运行工况（如风速）无关，但是受到变流器容量的限制。在电网故障期间，若电网电压出现高的电压跳变（dv/dt），出于变流器保护考虑，发电机需要从电网吸收一部分励磁电流，以减轻变流器的负担。
而当电网出现非对称故障时，变流器的控制回路PI调节器可能出现不对称饱和，要求减少电流参考值（循环替代），以保障故障穿越。降低的系数决定于当前测量的电压最大值与最小值的差值。
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5.功率恢复的控制
功率恢复过程中，有功电流的恢复取决于：风速、电压突降的深度和持续时间、变流器控制梯度（系统设计要求）等。为避免电压恢复过程中引起的电磁振荡和驱动链转矩振荡，变流器需要调节励磁阻尼系统，使得风力机的载荷在可承受范围内。
功率变化梯度的调节范围：1000kW/s~10kW/s
6.短时间内多次故障
机组具备应对短时内多次故障（重合闸后再次故障）引起的电压突变的能力，在满足变流器功率元件IGBT散热恢复时间的前提下，具体参数将根据实际电网要求进行调节。
7.低电压穿越的周边设备影响
风机在低电压穿越期间，变频器完成一些列动作，会带来一些负面的影响，这方面还需要进一步的研究，确保电网和风电机组均安全：
7.1投入转子刹车电阻对导致电机制动，引起轴承、齿轮箱的冲击，同时也引起叶片的突然冲击，可能会带来潜在的安全隐患。
7.2如果制动电阻、IGBT管不能承受大电流和过电压的冲击，将会导致损坏或电容器击穿。
7.3电压的波动会导致电能质量不合格，如果持续时间过长会导致其他的风电机组穿越失败。
7.4电压穿越与继电保护配合难度加大，会导致一些不必要的保护误动，反而会扩大事故。
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备注：电能质量问题-晃电、电压骤降/暂降与低电压穿越的区别：
- 晃电
是指因雷击、短路或其他原因造成的电网短时电压波动或短时断电的现象。供电系统产生晃电的基本类型有：电压骤降、骤升、短时断电、电压闪变。 - 电压暂降/骤降（Voltage Sag）
是电压有效值降至标称值（Nominal Value）的10%至90%，且持续时间为10ms（0.5个周波）至1min的电能质量事件之一。严重的电压暂降，将使用电设备停止工作，或引起所生产产品质量下降。 - 低电压穿越（Low voltage ride through，LVRT）
从电网的角度定义的，比如风电场的低电压穿越和火电厂的低电压穿越，它影响了风电发电机组和火电发电机组的正常发电，并会引发风电场和火电厂的辅机跳闸，对大电网引发高风险、低概率的大面积停电安全事故；而从用户角度定义，就是电压暂（骤）降（voltage sags 或Voltage dips），因为大电网或者用户配网产生的电压暂降，会引起敏感负载宕机，引发安全事故并带来极大的经济损失。 -
低电压穿越能力（Low voltage ride through capability）
通常指变频器及供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低到规定的低电压穿越区内时，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行的能力，即保障关键设备在电网波动时持续、稳定工作的能力。而在新能源领域里，就是指风力发电机或光伏发电系统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，甚至还可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可躲过保护动作时间，故障切除后恢复正常运行。这可大大减少发电系统在故障时反复并网次数，减少对电网的冲击。
风电机组故障穿越功能
注：以上图片来自网络！
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