低电压穿越详解

北京群菱能源科技有限公司 第- 1 –页 低电压穿越详解 前言 当电网的电源由于电压过低或者切换调配供电导致风电场不能正常工作而停 机，被停止工作后的风电场相对形成一个比电网的阻抗较大的负载或电源。当电 网再次可以向风电场供电时，这时电网和风电场双方之间的阻抗不再是相等的， 换句话说，这时己经造成了电网和风电场之间的严重不匹配现象。这时如果想要 让风电场和电网间的相位一致则必须利用风机的力量强制将风机的相角前移 180 度，此时导致的后果是造成风机的机械传动部分严重超载，由此经常引起的事故 是导致齿轮箱的损坏或者其它导致其它机械部件的损坏.因为这个相位差可造成 比发电机短路电流值的 2 倍还要多，如果换算成转矩，则相当于发电机正常工作 转矩的 4 倍的峰值转矩.这样发生齿轮箱及其它机械部件的损坏就是不难理解了. 什么是低电压穿越？ 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，电力系统故障导致电 压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，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 间断并网运行。 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； 北京群菱能源科技有限公司 第- 2 –页 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影响很大,根据实际系统对 风电机组进行合理的 LVRT 能力很有必要。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 中建立双馈变速风电机组及 LVRT 功能模型。以地区电网 为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,依据不同的风电场接入计 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 明,风电机组 LVRT 能力的深度主要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根据具体接入方案进行分析计算。 风电机组低电压穿越（LVRT）能力的深度对机组造价影响很大,根据实际系统对 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 中建立双馈变速风电机组及 LVRT 功能模型。以地区电网 为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,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。结果表 明,风电机组 LVRT 能力的深度主要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根据具体接入方案进行分析计算。 低电压穿越技术系统构成 检测平台的主设备户内安装，核心部件包括电抗器组合、断路器组合、控制系统、测量系 统四部分：其中电抗器采用国际知名品牌西门子或施耐德公司设计和生产；断路器组合采用国 际知名品牌西门子、施耐德或 ABB 公司产品。 北京群菱能源科技有限公司 第- 3 –页 1）低电压穿越电抗器：限流电抗器根据接入的电网情况以及测试风电机组容量整体进行 考虑，能够适应各种电网情况和风电机组，限流电抗器设计为阻值可调，确保在进行测试时， 对电网的影响在允许范围之内。短路电抗器阻值可调，短路电抗器和限流电抗器配合调节实现 不同程度的电压跌落。电抗器及安装情况下图 1 所示。 图 2 电抗器布置图 3）连接铜排：连接铜排分为导电铜排和接地铜排，导电铜排用来连接抗器实现各种不同 组合。 4）避雷器：电抗器相与相之间、每相与地之间接有避雷器；电抗器每个连接头之间均装 有避雷器，对电抗器起到了很好的保护作用。 5）供电系统以及暖通、照明设备。 6）电抗器温度监测仪：试验过程中可能会在电抗器中流过很大的短路电流，使得电抗器 发热，根据需要安装电抗器温度监测仪，随时监测电抗器温度，通过设定电抗器温度保护限值， 当温度过高可以将电抗器以及整个测试系统从电网中切出。 7）紧急报警系统：电抗器温度过高，紧急报警系统启动，进入相应的控制程序。 8）断路器组合：断路器组合由 SF6 气体绝缘开关柜组合和 SF6 气体绝缘户内断路器共同 组成，SF6 气体绝缘开关柜体积小，所有带电部分均有气体密闭，没有任何带电体裸露，每一 个断路器均和三工位开关配合，安全可靠，操作简单安装方便。开关柜组合和户内断路器配合， 共同实现试验设备要求功能。 9）低电压穿越就地控制系统：就地控制系统用来控制所有断路器、隔离刀闸和接地刀闸 的开断，自动完成所有试验项目。 10）测量与数据处理系统：系统根据触发指令开始测量和记录试验过程中的所有测试信息， 北京群菱能源科技有限公司 第- 4 –页 并完成相关计算；系统能够实时显示和将测量结果并能导出为开放格式数据以用于分析计算。 测试系统还包括远方监视和控制系统，在试验时远程控制完成所有试验项目，并对试验数据和 结果进行处理。 低电压穿越技术主要部件技术要求 5.1 开关柜一次部分技术要求 (1) 开关柜设置母线室和断路器室的压力释放装置，当发生内部电弧故障时，释放压力， 确保操作人员和开关柜安全。 (2) 气体绝缘开关柜的高压带电部分安装在密封的六氟化硫（SF6）气体中， 具备足 够的绝缘强度，可以有效的防止来自外界的污秽、潮气、异物及其他有害影响，以保证设备的 长期稳定工作。断路器室和母线室为充气隔室，三相系统在同一个隔室内，其中充满干燥的 SF6 气体，相邻隔室的绝缘气体完全隔绝。隔室的充气及相应的试验工作在卖方厂内完成，现 场无须充气。但考虑到海拔高程变化以及缓慢漏气造成气压下降，有可能需要在现场充气，组 合开关柜面板上应有充气和测量 SF6 气压的两用接口，每次试验前要使用专配的压力表测量 SF6 气体压力，并另配专用充气储气罐，可在现场充气。 (3) 每一独立的充气隔室内均设置单独的具有温度补偿功能的气体压力检测装置，当气室 内压力低于最小工作压力或高于压力上限时，压力检测装置提供相应的报警。同时应设置人工 测量 SF6 气体压力的接口，以防误报警。 (4) 气体绝缘开关柜内安装的断路器为真空断路器。断路器上配有机械式计数器，用于合 闸时计数，计数器安装在断路器面板上， 断路器面板上设有机械式合分闸状态指示、弹簧储 能状态指示、及手动合分闸按钮。 (5) 断路器、三工位开关/隔离开关的操作机构安装在低压室内。三工位开 关和隔离开关正常为电动操作，打开低压室门，可进行手动操作。三工位开关/隔离开关 上设有机械式分合闸状态指示。 (6) 气体绝缘开关柜采用先进的插接技术，内部电场均匀，有较高的电气绝缘性能。 (7)为防止保护装置受到潮气的影响，低压室内设置由空气开关控制的 AC220V 50W电 加热器。 (8) 电缆引入柜内后通过内锥式电缆插头和电缆插座连接。 (9) 每台开关柜上设置接地导体，导体为铜质的，截面为 30mm x 8mm，柜内设有与接地 北京群菱能源科技有限公司 第- 5 –页 系统相连的接地端子。 (10) 低电压穿越开关柜充气隔室的防护等级为 IP65， 外壳的防护等级为 IP4X。 (11) 一次相序按面对开关柜前门从左到右排列为 L1(A)、L2（B）、L3（C），并用标牌标 识，颜色分别为黄、绿、红。 (12) 气体绝缘开关柜从结构设计上保证了工作人员的人身安全，便于运行、维护、检查、 检修和试验。由于密闭的 SF6 开关柜无法验电，组合开关柜面板应设置显示开关内三相回路 应带有电压的指示装置（相当于验电装置）。 5.2 开关柜二次部分技术要求 (1) 所有开关柜内部导线均采用 500V 绝缘多股铜芯导线，导线中间不得有接头，控制、 保护、信号回路导线截面为 1.5mm2，电压回路 1.5mm2 ，电流回路 2.5mm2。 (2) 开关柜柜间小母线具体配置如下： 控制保护电源小母线(直流)； 储能电源小母线(直流)； 加热器电源小母线(交流 220V)； 以上 a), b), c)小母线截面为 4mm2； 闭锁小母线（直流）； 电压小母线(交流 100V)； 预告警信号小母线（包括 MCB 跳闸，继电器内部故障信号）； 以上 d), e),f)小母线截面均为 2.5mm2； (3) 所有 CT、PT 二次回路引出至端子，备用 CT 二次绕组在端子上短接。 PT 二次侧中性点直接接地； 端子排上每个端子和连线要编号，电流回路采用专用电流型试验端子； 开关柜低压室设门控式照明设备。 (6) 开关柜可提供买方使用的备用状态信号接点如下： 断路器状态：分闸位置 2 个，合闸位置 2 个； 断路器储能弹簧状态：弹簧未储能位置 1 个； 三工位开关位置状态：分闸位置 2 个，合闸位置 2 个，接地位置 2 个。 (7)设置若干 AC220V 电源插座，以方便取用电。 5.3 低电压穿越开关柜基本技术参数 北京群菱能源科技有限公司 第- 6 –页 技术参数 单位 限值 额定电压 kV 9～40.5 额定绝缘水平：1 分钟工频耐压（有效值） 雷电冲击耐压（峰值） kV 85 kV 185 额定频率 Hz 50 额定热稳定电流（4s 有效值） kA 25 额定峰值耐受电流 kA 63 主母线额定电流 A 1250 绝缘气体设计压力(绝对值) Pa 1.6×105 绝缘气体额定工作压力绝对值(20°C) Pa 1.3×105 绝缘气体最低工作压力绝对值(20°C) Pa 1.2×105 开关柜气室年泄漏率 ％ ≤0.25 辅助电源电压：控制回路,储能电机 加热器 V V DC220 或 110 AC220 SF6 气体湿度（含水量）（出厂试验值） uL/L ≤500 局部放电量(测量电压 1.1Um) pC ≤100 局部放电量（测量电压 1.1Um/3） pC ≤10 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。 北京群菱能源科技有限公司 第- 7 –页 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。 低电压穿越技术产品应用：