CN202190083U - 一种集中式风电场低电压穿越系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集中式风电场的低电压穿越系统装置，具体地说是一种使风电场整体获得低电压穿越功能的系统装置。本实用新型的基本原理是采用相控快速开关，将风电场原有的并网开关更换为相控快速开关，在开关两侧按相并联一定数量的电阻，电阻可分级，根据故障严重程度接入不同数量的电阻，系统故障导致风电场电压降低时，根据系统故障类型分级投入一定数量的电阻，通过电阻释放风机能量保持风机电压，达到不使风机脱网的目的，系统故障消除后快速切出电阻，闭合并网开关。从而实现整个风电场的低电压穿越。

Description

一种集中式风电场低电压穿越系统装置

技术领域

本实用新型涉及一种风电场低电压穿越装置，具体地说是一种使风电场整体获得低电压穿越功能的系统装置。

背景技术

近年来风力发电迅速发展，风电占供电比重也随之增长迅速。由此带来的问题也引起了广泛的重视.特别是在电网出现故障导致电压跌落后，风力机组如果纷纷解列会带来系统暂态不稳定，并可能造成局部甚至是系统全面瘫痪，因此电网企业对风机并网提出了一定的要求，低电压穿越(LVRT)能力就是要求风机或风电场必须能够满足的一项强制性标准或规范。

并网风力发电设备与传统的并网发电设备，如火力发电设备或水力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。

低电压穿越(Low voltage ride through，LVRT)，是指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

图1所示是电网企业要求的低电压穿越曲线，要求电压在阴影部分范围内时风机即不保持并网，也不脱网运行。国际和国家标准与其类似。

使得风电场获得低电压穿越能力有两类解决方案，一类方案是让风电场中的所有的风力发电机组获得低电压穿越的能力，从而使风电场具有低电压穿越的能力，即所谓分散式的低电压穿越解决方案。

另一类方案是针对风电场整体提供一种低电压穿越的能力，而不需要其中的每个风电机组具有低电压穿越功能，即所谓集中式的整体风电场低电压穿越解决方案。

国内外在对风电场LVRT的问题的研究都倾注很大的努力，很多厂商和研究机构拥有许多优秀的成果，不仅发表了大量的文献资料，而且在实践中取得了较好的应用。

总体来说，目前的解决方案基本上是围绕单机LVRT展开的，从公布的资料上看，LVRT技术用在单台风机上，增加了风机低压控制系统的设备，复杂性有所提高，使本来就显得局促的风机塔内空间变得更为紧张，特别是对已经运行的不具备LVRT功能的风机逐台进行改造，其施工难度较成套设计的有LVRT功能的新机组安装要大得多，并且，今后的运行维护工作量也增加较多。

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(faultride-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(lowvoltageride-through)能力。

目前国外风机供应商大部分已经解决了单个风电机组低电压穿越问题，能够提供具有低电压穿越能力的风力发电机。国内风机企业也在抓紧研究风机的低电压穿越技术，也有部分厂商宣称能够提供具有低电压穿越能力的风机。但是目前运行的风机和风电场都是以前提供的风机，绝大部分不具备低电压穿越能力，如何对这部分风机或风场进行改造，使其具有低电压穿越能力，满足并网要求，也是风电运营商急需解决的问题。

目前在风机方面，主流技术为采用基于转子短路保护的撬棒(crowbar)技术，采用可关断器件如IGBT等技术，如图2所示。

分散式LVRT解决方案要求每台风机都具有LVRT能力会大大增加风力发电设备的成本，同时实施改造涉及到风电场全内网，工程量大，复杂程度高，每台风电机都需增加设备，改造费用高，可靠性相对较低。

在集中式风电场整体LVRT解决方案方面，目前的现有技术是在并网处通过并联或串联电容器，通过采用无功补偿SVC，动态无功补偿D-VAR，高压动态无功补偿STATCOM技术实现整个风电场的低电压穿越能力，而不必要求每台风机都具有LVRT能力。但由于风电场发电容量较大，为保持系统故障时电压的稳定，需要与风电场发电功率相匹配的巨大的电容器容量，成本也是很大的。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种风电场整体低电压穿越技术解决方案。为实现上述目的，本实用新型提出了一种用于风电场的低电压穿越系统装置，使得风电场获得低电压穿越功能，实现在电网电压发生变化时，风电场风电机组维持正常的运行和并网，具备LVRT能力。

本实用新型是这样实现的，所述的集中式风电场低电压穿越系统装置，至少包括一个处于常闭合状态的主开关4，一个处于常断开状态的补偿开关5，一个电阻10，一个电压测量装置12，一个电流测量装置13，一个控制器11。主开关4一端连接到风电场开关站进线断路器15的连接点A，主开关另一端连接到并网升压变压器的连接点B，补偿开关5一端与连接点A连接，另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端连接到三相交流电星形连接的中点，电压测量装置12、电流测量装置13和控制器11的输入端与连接点B连接，电压测量装置12和电流测量装置13的输出端与控制器11的输入端连接，控制器11的输出端与各个开关的控制端连接。

本实用新型的一种较佳的实施方案，上述的集中式风电场低电压穿越系统装置，增加常断开开关6、常闭合开关7和常闭合开关8，常断开开关6连接在连接点A和连接点B之间，常闭合开关7的一端连接在连接点A，另一端与主开关连接形成连接点C，常闭合开关8的一端连接连接点B，另一端与主开关连接形成连接点D，补偿开关一端与连接点C连接，另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端连接到三相交流电星形连接的中点，电压测量装置12、电流测量装置13和控制器11的输入端与连接点D连接，电压测量装置12和电流测量装置13的输出端与控制器11的输入端连接，控制器11的输出端与各个开关的控制端连接。

本实用新型的另一种较佳的实施方案，上述的集中式风电场低电压穿越系统装置，所述的电阻10为电阻性可变电阻，可变电阻控制端受控于控制器11的输出端。

本实用新型的另一种较佳的实施方案，上述的集中式风电场低电压穿越系统装置，所述的主开关4的两端并联一个感性阻抗电阻9。

本实用新型提出的风电场的低电压穿越系统装置的特点及优点是：

1、适用各种风电机组，电阻容量可调整，可做成积木形式，方便升级；

2、结构简单，使用的原件种类较少；

3、不触及风电场每台风电机主辅设备，不影响原风场发电系统的可靠性；

4、设计安置形式为串联安装在风电场开关站进线断路器和升压变之间，保留了风电场所有原来的保护体系和设备，不做任何改动；

5、由于改动工程涉及范围和内容较少，改造工作量小，运维简易；

6、改造成本低。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，

图1是电网所要求的风电场低电压穿越功能示意图；

图2是用于风电机组的低电压穿越装置的原理示意图；

图3是本实用新型的一种较佳实施方案的原理示意图；

图4是本实用新型的集中式风电场低电压穿越系统装置原理示意图；

图5是本实用新型的阻性分级可调电阻的安装方式及外形示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

实施方式

国家标准对风电场低电压穿越要求：

1、基本要求

1)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；

2)风电场并网点电压在发生跌落后2s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；

2、对于电网发生不同类型故障的情况下，对风电场低电压穿越的要求

1)当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出；

2)当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出；

3)电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各相电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一相电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

3、有功恢复的要求

对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

实施例

本实用新型的基本原理是采用相控快速开关，将风电场原有的并网开关更换为相控快速开关，在开关两侧按相并联一定数量的电阻，电阻可分为15级，根据故障严重程度接入不同数量的电阻，如图5所示。系统故障导致风电场电压降低时，根据系统故障类型分级投入一定数量的电阻，通过电阻释放风机能量保持风机电压，达到不使风机脱网的目的，系统故障消除后快速切出电阻，闭合并网开关。从而实现整个风电场的低电压穿越。

本实用新型的实施方案要求开关速度足够快，系统故障时使风机能够快速切换到经电阻送电状态，故障消除后又能快速切换回正常并网运行状态，同时保证不会对电网造成冲击。另外要求电阻具有足够容量和散热特性和安装方式考虑散热要求，保证其能够承受短时大电流冲击要求和快速散热。

如图3所示，图中风电场风电机组群1，风电场开关站2，升压变压器3，主开关4，补偿开关，、旁路开关6，隔离开关7、8，限流阻抗9，可调补偿电阻10，控制器11，电压测量装置12，电流测量装置13，汇集线14，进线断路器15，电网侧16。途中A、B、C、D均为线路连接点。

本实用新型集中式风电场的低电压穿越系统装置的电压接入点为风电场开关站2的进线断路器15至升压变压器3之间的汇集线14中线上，将原母线分断，形成A节点和B节点；其中开关6为旁路开关，开关7、开关8为隔离开关，起检修隔离作用。

集中式风电场的低电压穿越系统装置的主要构成：

限流阻抗9为主要为感性元件，可调补偿阻抗5为多级可调阻性阵列，其总阻抗等于风电场额定容量下的负载阻抗，设计为16级可调，调节精度为6.25％，阻抗调整时间小于等于10ms；

主开关4为高速无反弹真空断路器，起到正常时承载风电场输出电流、并网点低电压故障时时将限流阻抗投入的作用，固有合、分闸的时间小于等于18ms；

补偿开关5为高速无反弹真空接触器，起到投切补偿阻抗作用、并具备开断补偿阻抗故障时短路电流的功能；

控制器11为本系统装置的信号采集分析、工作逻辑控制、通信交互、故障记录等功能的中央处理装置，对并网点故障出现和恢复的判断时间小于等于2ms；

电压测量装置12、电流测量装置13，提供风电场汇集线上的三相电流、电压信号。

集中式风电场的低电压穿越系统装置工作原理

本系统装置是严格按照《风电场接入电网技术规定》中的要求设计的，具体可以解读为：“当风电场并网点出现低电压工况并持续最大2秒时间后，风电场应立即具备提供最大限度有功功率的能力应对电网的需求，支持电网恢复稳定。”基于此，本系统装置的工作原理为：

本系统装置的原理核心为“全负载阻抗补偿方式”，实时跟踪汇集线的电压、电流信号并更新补偿阻抗调整策略。正常工作时，主开关4和补偿开关5分别处于“合”“分”状态，通过电压测量装置12、电流测量装置13实时跟踪测量汇集线上的电流电压信号，控制器11监视并网点电压状态，每隔1秒，按欧姆定律用测得的电压除以电流计算出相应的“即时等效负载阻抗”值，并以与该“即时等效负载阻抗”值全等的原则更新补偿阻抗的调整策略。

全阻抗补偿维持风电场汇集线电压、电流不变，功率也不变。当并网点低电压发生后，本系统装置20ms内主开关4和补偿开关5完成切换动作，包括控制器11命令可调补偿阻抗10按最新调整策略完成阻抗调节，主开关4断开，补偿开关5闭合等操作，可调补偿阻抗投入并作为替代负载支持风电场持续运行。

由于风机系统有着数秒级的时间常数，2s内认为其输出电流近似不变；又因补偿阻抗10的调整精度达6.25％，对于故障前即时等效负载阻抗的最大调节误差仅为6.25％的1/2，即3.12％，可见，近似不变的“电流”乘以“即时等效补偿阻抗”得到的电压值与电网故障前相比差别不大，必然，风机的输出功率也近似不变。

当风电场所有的风电机组因本系统装置的补偿作用，在电网低电压期间的输出电流、电压、功率能维持近似不变的状态，必然实现低电压穿越运行。

本系统装置可以使得风电场的有功恢复速度达到标准要求。

由于故障期间，风电场输出的有功功率一直相当于故障前水平，一旦电网故障恢复，本系统装置可在20ms内退出，风电场立即向电网提供相当于故障前的有功功率，几乎没有恢复过程，给予电网稳定以最大的支持。

本系统装置支持能力：对于固定装机容量风电场说，通过改变补偿阻抗的容量，即可改变本系统装置的支持时间；换言之，对于固定的补偿时间，通过改变补偿阻抗的容量，可以适应不同装机容量容量的风电场。

本系统装置的适用范围：并网点低电压期间，本系统装置在汇集线14侧保持电流、电压维持电网故障前水平，实现风电场低电压穿越，不涉及到风电机内部结构改动，因此，本系统装置方案对绝大多数风电场都适用。

本系统装置的动作时间可躲过继电保护动作时间：从故障发生到投入的时间小于20ms，由于CLSS的补偿作用，对于风电场系统来说，使得风电场从A点看向B点，仿佛电网系统未曾发生任何较大变化，只是一个小小的扰动，显然不会启动任何保护动作；

本系统装置的工作逻辑：

1、正常运行时，主开关4处于闭合状态，补偿开关5处于断开状态；控制器11通过电压测量装置12、电流测量装置13实时跟踪风电场汇集线的电压和电流参数，判断并网点工况，并计算相应时刻下并网点低电压的阻抗补偿策略；

2、并网点低电压时，控制器11可在2ms内判断出低电压故障，发出“可调补偿阻抗”调整信号、主开关4的分闸信号及补偿开关5的合闸信号，其间可调补偿阻抗10的调整速度高于补偿开关5的分闸速度，即可将可调补偿阻抗10调整到目标值进行补偿；

3、补偿过程中通过控制器11继续监视并网点工况；

4、当故障成功排除，并网点电压恢复正常时，控制器11立即发出主开关4合闸信号和补偿开关5分闸信号，退出负载补偿状态，并向电网恢复功率输出；

5、故障发生2s后，并网点电压仍未恢复时，控制器11也发出主开关4合闸信号和补偿开关5分闸信号，退出负载补偿状态，以保护可调补偿阻抗10不因过热而损坏；此时将并网点故障状态交由风电场系统自行处理，即使此时风电场停机脱网，也符合国家电网《风电场接入电网技术规定》的要求。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种集中式风电场低电压穿越系统装置，至少包括一个处于常闭合状态的主开关（4），一个处于常断开状态的补偿开关（5），一个电阻（10），一个电压测量装置（12），一个电流测量装置（13），一个控制器（11），其特征在于主开关（4）一端连接到风电场开关站进线断路器（15）的连接点（A），主开关另一端连接到并网升压变压器的连接点（B），补偿开关（5）一端与连接点（A）连接，另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端连接到三相交流电星形连接的中点，电压测量装置（12）、电流测量装置（13）和控制器（11）的输入端与连接点（B）连接，电压测量装置（12）和电流测量装置（13）的输出端与控制器（11）的输入端连接，控制器（11）的输出端与各个开关的控制端连接。

2.权利要求1所述的集中式风电场低电压穿越系统装置，其特征在于增加常断开开关（6）、常闭合开关（7）和常闭合开关（8），常断开开关（6）连接在连接点（A）和连接点（B）之间，常闭合开关（7）的一端连接在连接点（A），另一端与主开关连接形成连接点（C），常闭合开关（8）的一端连接连接点（B），另一端与主开关连接形成连接点（D），补偿开关一端与连接点（C）连接，另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端连接到三相交流电星形连接的中点，电压测量装置（12）、电流测量装置（13）和控制器（11）的输入端与连接点（D）连接，电压测量装置（12）和电流测量装置（13）的输出端与控制器（11）的输入端连接，控制器（11）的输出端与各个开关的控制端连接。

3.权利要求2所述的集中式风电场低电压穿越系统装置，其特征在于所述的电阻（10）为电阻性可变电阻，可变电阻控制端受控于控制器（11）的输出端。

4.权利要求3所述的集中式风电场低电压穿越系统装置，其特征在于所述的主开关（4）的两端并联一个感性阻抗电阻（9）。 

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