風力發(fā)電機組故障穿越問題

通過對各國標準的學習和歸納后發(fā)現(xiàn)，風電機組必須要滿足的GFRT指標有如下幾項：

風力發(fā)電機組故障穿越問題故障類型和最大深度指標

風電機組應穿越的電網(wǎng)故障類型包括對稱故障和非對稱故障，而其最大深度指標則指故障所引起的并網(wǎng)點高/低電壓有效值離并網(wǎng)點電壓標稱值的偏移量百分比(簡稱電壓變化水平)。

對LVRT要求而言，中國標準要求:《風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms?？芍琇VRT最大深度指標在中國規(guī)程中的取值為20%額定電壓。大多數(shù)風電發(fā)達國家的并網(wǎng)規(guī)程都比中國嚴格，都提出了零電壓穿越(Zero Voltage Ride Through， ZVRT)要求;而故障類型也是對稱故障和非對稱故障。實際上，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，因風電場內(nèi)的各級變壓器和電網(wǎng)阻抗、故障點位置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式等因素的影響，在風電機組電網(wǎng)側(cè)的實際電壓跌落深度并沒有像風電場并網(wǎng)點跌落深度那么深。另外，各級變壓器的聯(lián)接組別對電壓跌落類型及其分布也有影響，如在中國，風電機組出口升壓變壓器的聯(lián)接組別一般都選為Dyn11或Dyn5，在這種情況下，在箱變高壓側(cè)發(fā)生各類短路故障時，在風電機組電網(wǎng)側(cè)并不會出現(xiàn)單相電壓跌落。

就HVRT要求而言，這里所講的高電壓一般是指因電網(wǎng)故障而產(chǎn)生的工頻過電壓。在中國還沒有HVRT正式標準，相關工作正在進行中。但在澳大利亞、美國等國家并網(wǎng)規(guī)程中已有明確的HVRT技術要求。以美國WECC標準為例，1.2 p.u過電壓下要工作至少1s，1.15p.u過電壓下要工作至少3s ?？芍琀VRT最大深度指標在美國規(guī)程中的取值為120%額定電壓。對于HVRT的故障類型而言，高電壓故障產(chǎn)生的機理比較復雜，但標準要求風電機組應能承受對稱過電壓和非對稱過電壓。

風力發(fā)電機組故障穿越問題故障持續(xù)時間指標

就LVRT要求而言，德國E.ON標準規(guī)定《風電場并網(wǎng)點電壓跌至0%標稱電壓時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行150ms，即在德國E.ON電網(wǎng)中LVRT持續(xù)時間指標的取值為150ms。最嚴格的標準是芬蘭等北歐國家標準，要求風電場在0%標稱電壓下持續(xù)工作至少250ms。

風力發(fā)電機組故障穿越問題故障期間風電機組功率控制要求

該指標包括風電機組在LVRT或HVRT期間的有功功率和無功功率控制要求。對于LVRT而言，大多數(shù)國家對LVRT期間的風機有功控制并無明確要求，只有丹麥標準要求風電機組在LVRT期間根據(jù)電網(wǎng)電壓實際值按照一定比例關系盡可能地多發(fā)有功功率。對于LVRT期間的風機無功控制，大多數(shù)國家都有明確的規(guī)定，如中國標準要求是:《當電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落，且并網(wǎng)點電壓處于標稱電壓的20%到 90%區(qū)間內(nèi)時，風機應能通過注入無功電流支撐電壓恢復(動態(tài)無功電流控制的響應時間不大于75 ms，持續(xù)時間應不小于550 ms。

對于HVRT而言，絕大多數(shù)國家并網(wǎng)規(guī)程都沒有提出風機在HVRT期間應如何控制風機的有功出力和無功功率。

風力發(fā)電機組故障穿越問題故障恢復時間及后期控制要求

該指標包括四個方面的要求:故障恢復時間、故障結(jié)束后的有功功率恢復速度、故障結(jié)束后的無功功率控制要求和故障結(jié)束瞬間的電氣超調(diào)量控制問題。

以LVRT的故障恢復時間為例，中國標準的要求是：《當風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%時，風機能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行》，故LVRT '恢復時間要求為2s。故障恢復時間取決于各國電網(wǎng)的實際狀況，存在較大的差異性。

再看LVRT結(jié)束后的風機有功功率恢復速度。最嚴格的標準是德國E.ON準則，要求風電機組以20%額定功率的速度恢復到故障之前的值。對于HVRT結(jié)束后的風機有功功率恢復速度而言，各國并網(wǎng)規(guī)程都沒有提出具體要求。

對于LVRT或HVRT結(jié)束后的無功功率控制問題而言，該指標的主要意圖是:故障結(jié)束(在大多數(shù)國家并網(wǎng)規(guī)程中，要求風電機組可正常運行的電網(wǎng)電壓范圍為90%-110%標稱電壓。這里所說的“故障結(jié)束，是指:電壓恢復到(90%-110% ) Un的電壓區(qū)域，并非恢復到100%標稱電壓。使風電機組的電網(wǎng)側(cè)電壓盡快恢復到標稱電壓附近?？梢姡收辖Y(jié)束后的無功功率及其持續(xù)時間的控制取決于電壓的恢復情況。

對于LVRT或HVRT結(jié)束瞬間的電氣超調(diào)量 (國外叫Overshoot)控制而言，規(guī)程內(nèi)容的根本意圖在于保證風電機組的各個涉網(wǎng)電氣保護在故障結(jié)束瞬間不被觸發(fā)。當然，電氣超調(diào)量的幅值越小越好，進入穩(wěn)定工作點的速度越快越好。

風力發(fā)電機組故障穿越問題電壓故障的重現(xiàn)頻次

大多數(shù)國家對此并無明確要求，只有丹麥標準要求：《在兩分鐘之內(nèi)至少兩次低電壓故障穿越》來考核風電機組的LVRT育邑力。對于高電壓穿越重現(xiàn)頻次而言，還沒有任何要求。

風力發(fā)電機組故障穿越問題控制響應速度

包括兩個要素：故障類型判別速度和故障發(fā)生瞬間后無功功率響應速度。一般而言，當發(fā)生電網(wǎng)故障時，風電機組先試圖對故障類型進行快速判別以確定故障期間的有功/無功功率的控制方式。此外，風電機組控制器對電網(wǎng)故障類型快速完成定性后，還要快速進行無功功率調(diào)節(jié)以支持電網(wǎng)電壓的恢復。

可見，各國風電并網(wǎng)規(guī)程針對風電機組的GFRT要求包含如下12項技術要素:電壓變化水平；故障類型(單相/兩相/三相)；故障持續(xù)時間；故障恢復時間；故障期間的有功功率控制；故障期間的無功功率支持；故障類型判別速度；故障發(fā)生瞬間的無功功率響應時間；故障結(jié)束后有功功率恢復速度；故障結(jié)束后無功功率控制；故障結(jié)束瞬間的電氣超調(diào)量控制；故障重現(xiàn)頻次。

風力發(fā)電機組故障穿越問題電網(wǎng)故障對不同風電機組的影響

，市場上的主流風電機組有三類，它們分別是直接并網(wǎng)的失速型定速異步風電機組(StallRegulated Fixed Speed Induction Generator, FSIG)、雙饋異步風電機組(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG、直驅(qū)永磁同步風電機組(Permanent MagnetSynchronous Generator PMSG)。電網(wǎng)短路故障對各種機型的影響簡述如下。

風力發(fā)電機組故障穿越問題FSIG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

FSIG主回路拓撲圖如右圖1所示。從圖可知，發(fā)電機直接連接到電網(wǎng)。這種較強的電壓和頻率藕合使電網(wǎng)故障直接反應在電機定子電壓和轉(zhuǎn)速上。當電網(wǎng)故障時，導致定子磁鏈出現(xiàn)直流成份；當不對稱故障時還會出現(xiàn)負序分量。定子磁鏈的直流分量和不對稱故障產(chǎn)生的負序分量將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子電流。

此外，在電網(wǎng)故障的過渡過程中，電機電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)比較大的波動，對傳動系統(tǒng)的齒輪箱等部件產(chǎn)生非常大的機械沖擊，導致部件損壞或機組壽命縮短。

還有，電網(wǎng)故障會降低定子電壓，風電機組輸出功率也跟著降低，必然導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速的上升。轉(zhuǎn)速的上升會增加風電機組從系統(tǒng)吸收的無功功率，進一步惡化電網(wǎng)電壓的恢復，嚴重時將導致系統(tǒng)的電壓崩潰。

風力發(fā)電機組故障穿越問題DFIG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

DFIG主回路拓撲如右圖2所示。從圖可知，對DFIG而言，電網(wǎng)電壓的跌落會導致風電機組轉(zhuǎn)速上升，對傳動系統(tǒng)造成機械沖擊。在電網(wǎng)電壓跌落瞬間，發(fā)電機定子上的大電流，必然引起轉(zhuǎn)子側(cè)較大的感應電流。而在電網(wǎng)電壓恢復瞬間，因DFIG從電網(wǎng)吸收無功功率來恢復氣隙磁鏈，導致定子側(cè)注入較大的浪涌電流，造成發(fā)電機電網(wǎng)側(cè)電壓的降低。另外，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)由于采用了小功率變流器并網(wǎng)，變流器過流能力和DC環(huán)節(jié)的過電壓能力都非常有限，需要在電壓、電流和有功功率控制之間要很好地匹配，以保證功率器件不被過電壓、過電流損壞并保證直流側(cè)電壓在合理的范圍之內(nèi)?？梢?，雙饋風電機組在故障期間的暫態(tài)行為較復雜，實現(xiàn)DFIG風機的GFRT能力相對而言比較難 。

風力發(fā)電機組故障穿越問題PMSG在電網(wǎng)故障下的暫態(tài)現(xiàn)象

對PMSG而言，從主回路拓撲圖(右圖)可知，發(fā)電機經(jīng)過AC-DC-AC全功率變流器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機輸出側(cè)與風電機組的電網(wǎng)側(cè)已被“頻率/電壓解藕”，風機的GFRT能力等并網(wǎng)特性主要跟變流器有關。當電網(wǎng)電壓跌落時，因電網(wǎng)側(cè)逆變器電流不能突變，注入電網(wǎng)的有功功率迅速減少。為了傳送等同的有功功率，逆變器應增加輸出電流，但電壓跌落到一定深度時，因回路電流不可超過逆變器IGBT能承受的最大電流，注入電網(wǎng)的有功功率受到限制。這樣必將導致DC電容輸入功率大于逆變器注入電網(wǎng)的輸出功率，DC電容電壓上升，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至導致部件損壞或更嚴重的后果?？梢?，直流側(cè)過電壓是因DC回路輸入能量和輸出能量的不平衡引起，釋放這一部分多余的能量是保證直驅(qū)風機GFRT能力的根本途徑 。

風力發(fā)電機組故障穿越問題風機GFRT能力對電力系統(tǒng)的影響

已有許多文獻研究了風電機組/風電場的GFRT能力，尤其是風電機組的LURT特性和HURT特性對系統(tǒng)的影響。工程實踐也足以說明風電機組/風電場的GFRT特性對電力系統(tǒng)有著不可忽視的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

工程經(jīng)驗說明具備GFRT能力的風電場比不具備此能力的風電場具有更好的穩(wěn)定性。在像中國酒泉地區(qū)這種大規(guī)模高度集中接入的情況下，如果風電機組不具備GFRT能力，則當電網(wǎng)發(fā)生故障時上千臺風電機組一起脫網(wǎng)，對電網(wǎng)必將是很大的沖擊，甚至是災難。再從電網(wǎng)大系統(tǒng)而言，當功角臨界失穩(wěn)時，電壓會降低，而風電機組對電壓比較敏感，電壓的降低會導致風電機組電壓保護的動作，進一步惡化系統(tǒng)電壓。

(2)對系統(tǒng)電壓控制的影響

一般而言，一個風電場也會含有多種風電機組機型，而各個風電機組機型在故障情況下的無功功率調(diào)節(jié)特性不同。另外，風電場主變低壓側(cè)也會配有各種類型的無功功率補償設備，如并聯(lián)電容器組、SVC， SVG等多見?？梢?，風電機組在故障期間的故障判別速度及其對應的功率控制(有功功率控制和無功功率控制)方式不僅影響到故障期間的系統(tǒng)無功功率需求和系統(tǒng)潮流分布，而且對電壓控制的精度和效果帶來一定的不利影響，因此風電機組應按照標準要求嚴格執(zhí)行相關GFRT控制任務。

(3)對系統(tǒng)發(fā)電計劃、系統(tǒng)規(guī)劃等的影響

按照的電網(wǎng)現(xiàn)狀，假設風電機組可以不具備故障穿越能力，則整個系統(tǒng)的架構(gòu)都要發(fā)生改變，如風電場的接入規(guī)模、系統(tǒng)安穩(wěn)裝置配備、系統(tǒng)保護配置及其設定等，會涉及到很多方面，在此不再細述。

風力發(fā)電機組故障穿越問題FSIG風機LVRT技術方案

使FSIG具備LVRT能力的基本思路是:當電網(wǎng)電壓跌落時，通過采用一定的技術措施和外加的硬件設備，避免發(fā)電機大轉(zhuǎn)差率的發(fā)生，防止較大的定子電流、定子電壓和轉(zhuǎn)矩波動對風電機組相關部件的損壞，同時保證風機不脫網(wǎng)連續(xù)運行;另外，在電網(wǎng)跌落期間，還應避免飛車現(xiàn)象和風機額外無功功率需求對電網(wǎng)電壓恢復的惡化作用 。

FSIG風機的LVRT實現(xiàn)方法是:在發(fā)電機和電網(wǎng)之間串聯(lián)一套專用LVRT設備(如SVC或SVG)。

風力發(fā)電機組故障穿越問題DFIG風機LVRT技術方案

有兩種技術措施:變換器轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和變流器直流側(cè)Chopper電路。

針對電網(wǎng)電壓跌落，DFIG采取如下策略：

(1)對較小的電壓跌落，可通過控制策略的調(diào)整使DFIG具備LVRT，無需Crowbar等設備。

(2)對大一些的電壓跌落，因直流過電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，Crowbar電路應投入運行以避免大電流損害變換器功率器件。此時，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被Crowbar電路阻斷，電網(wǎng)側(cè)變換器保持與電網(wǎng)的連接以控制直流母線電壓。

(3)對較大的電壓跌落，因較大的直流過電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)大電流，Crowbar電路和Chopper電路均投入運行以避免變換器損壞。

最近十年以來，隨著世界各國常規(guī)化石能源供應不確定性問題和節(jié)能減排形勢的日益嚴峻，綠色可再生能源和環(huán)保型低碳經(jīng)濟越來越受到重視。尤其最近五年，中國風電裝機容量的增長極為迅速，并已于2010年底超越美國成為全球風電裝機容量第一的國家。

隨著風電在電網(wǎng)中所占比例的日益增長，風電在電力系統(tǒng)中的作用和地位在發(fā)生變化，風電與電網(wǎng)的相互影響也已變得不容忽略。尤其是在電網(wǎng)故障情況下，風電對電網(wǎng)的影響更不可忽視。

電網(wǎng)故障會導致風電場并網(wǎng)點電壓的跌落或抬升，有時候也會引起風電場并網(wǎng)點頻率的異常。電網(wǎng)故障會給風電機組等風電場電氣設備帶來一系列的暫態(tài)過程，如過流、低電壓、過速等。過去，風電機組都不具備故障穿越能力，因此當發(fā)生電網(wǎng)故障時，風電機組因自身安全原因，一般都會自動與電網(wǎng)解列。，風電在電網(wǎng)中的比例已經(jīng)達到較高的水平，若風電機組還不具備合格的電網(wǎng)故障抵御能力，一遇電網(wǎng)故障就自動解列則會增加局部電網(wǎng)故障的恢復難度，惡化電網(wǎng)穩(wěn)定性，甚至會加劇故障并導致系統(tǒng)崩潰 。

因此，為了維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，各國電網(wǎng)部門根據(jù)自身實際對風電場的電力接入提出了嚴格的技術要求。

GFRT概念在國外比較普遍，但各國叫法和分類有所不同，如美國標準叫電壓穿越(VRT)，包括LVRT和HVRT。

各國標準對風機的故障穿越能力的定義基本一致，其基本內(nèi)容可概括為:當電力系統(tǒng)事故或擾動引起并網(wǎng)點電壓或頻率超出標準允許的正常運行范圍時，在一定的電壓或頻率范圍及其持續(xù)時間間隔之內(nèi)，風電機組能夠按照標準要求保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，且平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)的一種能力。

通過對各國標準的學習發(fā)現(xiàn)GFRT包括以下三個概念，低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)、高電壓穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)和頻率穿越(Frequency Ride Through，F(xiàn)RT )。其中，F(xiàn)RT還未被正式命名，業(yè)內(nèi)也沒有更多的關注，相關文獻也沒有相關研究和論述。對于HVRT而言，澳大利亞等國已有明確的標準規(guī)定，但在我國還處于空白狀態(tài)。而對LVRT而言，各國都有相應的規(guī)程要求，是風電機組最普遍、最重要的GFRT能力要求。

隨著風電在電網(wǎng)中比例的增加，風電GFRT問題越來越被相關各方重視。電網(wǎng)實際運行需要也要求風電機組必須具備相應的GFRT能力。

國內(nèi)客戶對風電機組GFRT能力的要求不夠全面。我國GFRT相關標準里面也有部分盲點，如標注GB/T 19963-2011中對HVRT和FRT沒有任何規(guī)定;對于LVRT規(guī)定而言，也存在著部分內(nèi)容缺失，因為該標準沒有提出對故障期間的有功功率控制、故障類型的判別速度、故障結(jié)束后無功功率支持的持續(xù)時間、超調(diào)量控制能力和故障頻次等指標的具體要求。另外，諸多國內(nèi)風電機組生產(chǎn)廠商對標準的重視程度還不夠，甚至有的廠商對自家風電機組的相關技術細節(jié)還不夠了解，導致頻繁的LVRT改造等不利局面。

可以得出如下幾條結(jié)論

(1)風電機組的GFRT能力包括諸多指標。以LVRT/HVRT能力為例，共有12項必須攻克的技術要素，分別是:電壓變化水平、故障電壓持續(xù)時間、故障恢復時間、故障類型、故障期間的有功功率控制、故障期間的無功功率控制、故障類型的判別速度、故障發(fā)生瞬間的無功功率響應時間、故障結(jié)束后的有功功率恢復速度、故障結(jié)束后的無功功率持續(xù)時間、超調(diào)量控制能力和故障頻次。

(2)電網(wǎng)故障會給風電機組等風電場電氣設備帶來一系列的暫態(tài)過程，甚至會造成設備損壞等嚴重后果，因此風電機組/風電場應該具備合格的GFRT能力。反之，若風電機組不具備GFRT能力，則將會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來很大危險。2100433B

穿越性電流一般是對某設備而言。如變壓器的中、低壓側(cè)設備或線路故障，此時流過變壓器電流中有負荷電流和故障短路電流。這個故障短路電流稱為穿越性電流。這個故障稱為穿越性故障。變壓器的保護稱為二次諧波制動比例差動，它可以把差動電流調(diào)得很小，因些提高了差動保護的靈敏度．它的原理是保護區(qū)外發(fā)生短路后會產(chǎn)出二次諧波，而保護區(qū)能短路則不會，所以當保護區(qū)外短路時，可以用二次諧波制動來防止差動保護誤動．

穿越性電流就是在保護區(qū)外發(fā)生短路時，流入保護區(qū)內(nèi)的故障電流．2100433B

穿越性電流一般是對某設備而言。如變壓器的中、低壓側(cè)設備或線路故障，此時流過變壓器電流中有負荷電流和故障短路電流。

這個故障短路電流稱為穿越性電流，這個故障稱為穿越性故障。變壓器的保護稱為二次諧波制動比例差動，它可以把差動電流調(diào)得很小，因此提高了差動保護的靈敏度。它的原理是保護區(qū)外發(fā)生短路后會產(chǎn)出二次諧波，而保護區(qū)內(nèi)短路則不會，所以當保護區(qū)外短路時，可以用二次諧波制動來防止差動保護誤動。

穿越性電流就是在保護區(qū)外發(fā)生短路時，流入保護區(qū)內(nèi)的故障電流。2100433B

風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程制定背景

隨著風電的快速發(fā)展，風電的故障穿越能力受到了越來越多的關注，風電故障穿越包括低電壓穿越和高電壓穿越兩個密不可分的有機組成部分。大量風電脫網(wǎng)事故調(diào)查表明，風電大規(guī)模脫網(wǎng)的典型過程為：風力發(fā)電機組低電壓脫網(wǎng)→場內(nèi)電壓升高→風力發(fā)電機組高電壓脫網(wǎng)。而中國國內(nèi)尚無國家標準對風力發(fā)電機組低電壓穿越和高電壓穿越相關技術要求、測試與評價方法進行規(guī)范，因此有必要對風力發(fā)電機組的故障穿越行為與測試方法進行規(guī)范。

風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程編制進程

• 標準計劃

2017年5月23日，國家標準計劃《風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（20170355-T-604）下達，項目周期24個月，由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出，TC50（全國風力發(fā)電標準化技術委員會）歸口上報及執(zhí)行，主管部門為中國機械工業(yè)聯(lián)合會。

• 發(fā)布實施

2018年12月28日，國家標準《風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（GB/T 36995-2018）由中華人民共和國國家市場監(jiān)督管理總局、中華人民共和國國家標準化管理委員會發(fā)布。

2019年7月1日，國家標準《風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（GB/T 36995-2018）實施。

風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程制定依據(jù)

國家標準《風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（GB/T 36995-2018）依據(jù)中國國家標準《標準化工作導則—第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》（GB/T 1.1-2009）規(guī)則起草。

風力發(fā)電機組—故障電壓穿越能力測試規(guī)程起草工作

主要起草單位：中國電力科學研究院有限公司、浙江運達風電股份有限公司、中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司、國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院、科諾偉業(yè)風能設備（北京）有限公司、華潤電力技術研究院有限公司、國家電網(wǎng)公司、山東中車風電有限公司、新疆金風科技股份有限公司、深圳市禾望電氣股份有限公司、成都阜特科技股份有限公司。

主要起草人：秦世耀、董存、李少林、裴哲義、趙磊、陳晨、孫勇、盧仁寶、張利、周黨生、王文卓、杜慧成、杜煒、狄振鋒、呂佃順、付小林、王瑞明、范高鋒、應有、唐勇、孫明一、劉靜、喬元、張爽、李海東、苗強、周杰、黃遠彥、梁劍、王云杰。