低电压穿越时对10兆瓦的风力涡轮机多级电网侧变流器的热分析
柯玛，会员，IEEE，佛雷格布拉布叶格，研究员，IEEE，马可李斯锐，研究员，IEEE
摘要
由于单个风力涡轮机的功率等级不断上升甚至达到7MW，风力发电系统要求更可靠和能够承受极端的电网干扰。此外，风力发电系统应在电网中更加灵活和能够通过在电网故障期间注入有助于电网恢复的无功电流，这已经成为一种需要。因此，全功率变换器解决方案正变得越来越流行来满足不断增长在风力发电应用中的挑战。然而，全功率转换器中的功率器件的加载，特别是在电网故障期间，可能会妥协可靠性能和进一步增加了系统的成本。在本文中，三个具有好前景的用于新一代的10兆瓦的风力涡轮机的电网侧的多级变换器的拓扑结构被提出，和基本上作为案例学习而设计。运行状态，和可靠性相关性能一样，研究的目的在不同的低电压穿越（LVRT）条件下。发现所有提出的转换器拓扑结构都将一些低电压穿越操作时高负载的功率器件（特别是二极管）中遭受交界处的温度较高。此外，本三电平和五电平H桥拓扑比著名的三电平中性点钳位拓扑结构在减少不对称性和设备应力等级方面表现出更大的潜力。
关键词：低电压穿越（LVRT），多层次变换器，热分析，风力发电。
一、引言
欧盟致力于到2020年其能源的20%从可再生能源中获得[ 1 ]。作为最有前景的候选对象，并入电网的风能生产在全世界蓬勃发展。同时，单个风力发电机组的容量不断增加从而降低了生产每千瓦时的价格，作为尖端成就，7兆瓦海上风机已经出现在市场上[ 2 ]-[ 4 ]。因此，由于与以前相比在电网故障或断开后会对电网的更为重要的影响，风力发电
系统要求更加可靠，能承受一些极端的电网扰动。传动系统运营商已经颁布更严格的低电压穿越（LVRT）电网的标准，如图1所示的[5] 对于不同的国家，在图中定义了各种电压骤降和允许的扰动时间的边界。此外，风力发电系统还提供无功电流（高达转换器额定电流容量的100%）来有助于电网恢复，当低电压穿越出现，如图2所示，所需要的与电网电压相关的无功电流由德国的电网规范指示[ 6 ]。
图1.不同国家低电压穿越下的风力发电机的电网参数
图2.低电压穿越时无功电流要求与电网电压
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更严格的电网标准以及高可靠性要求推动风力发电系统的解决方案从带有部分额定功率变换器的双馈感应发电机向带有全功率变流器的永磁同步发电机发展。有关如何控制风电变换器满足在低电压穿越时电网要求的大量的工作已经完成了[ 7 ]，[ 8 ]。然而，在这种条件下的功率损失和热性能，特别是当使用MW级全功率变流器，是另一个重要的而且有趣的进一步的调查所需要的话题。在电网干扰下的功率器件的极限载荷可能导致消除相关变换器功率，无效成本的功率半导体器件，复杂的散热系统，以及降低了的变换器的可靠性。
在本文中，三个有前景的用于10兆瓦的风力涡轮机的电网侧多电平变换器被提出和初步设计。评价标准主要针对利用
功率开关器件和不同低电压穿越条件下功率开关器件的热性能。对于转换器输出的研究，以
及在不同电网电压骤降/风速下的功率损失和热分布，被介绍和比较。
二、有前景的拓扑结构和基本设计
带有全面的功率转换器的变速风力涡轮机的概念和主要部分，如图3所示。如前所述，单个风力发电涡轮机的容量保持增加甚至达到7兆瓦，以及中压（1 kV–10 kV）设备将有趣和被需要来减少在这样的高功率等级中的布线和开关器件的额定电流。对传统的二级电压源转换器来说用现有的开关器件达到可接受的性能越来越难[ 9 ]。随着更多的输出电压电平的能力，更高的电压振幅，和更大的输出功率，多电平变换器的拓扑结构是当今全功率/中压风电转换应用中最有前景的候选对象。[ 9 ]–[ 13 ]。
图3.带有全功率转换器的风力发电系统
由于图3中的电网侧转换器直接连接电网和起着关键的作用来符合在电网故障期间的严格标准，主要讨论会集中在发电系统这部分。关于发电机侧交流/直流转换器的更详细的信息包括在[ 11 ]和[ 12 ]中，将不在本文讨论。在各种多电平拓扑结构中，其中三个是感兴趣的，他们将在下面被介绍。
作为市场上一个最商业化的多电平变换器研究，三电平中性点二极管箝位拓扑（3L-NPC）如图4所示。直流总线的中点电位波动是一个主要的缺点，但是这个问题被广泛的研究以及被认为性能提高了[ 10 ]。然而，发现在一个交换臂上的功率设备的内外的功率损失分布是不平等的，当实际上被设计时这个问题可能会导致成本无效功率器件的使用[ 10 ]，[ 13 ]。
图4.三电平中性点二极管箝位拓扑（3L-NPC）
三电平H桥拓扑（3L-HB）可能是另一个在风力发电应用中的选择，如图5所示。3L-NPC 解决方案中的钳位二极管被消除[ 13 ]，只有一半的没有中点的直流母线电压是需要的，直流链路电容器的成本可以降低。不过，额外的长度，功率损失，和在电缆的电感以及成本将是一个主要的缺点。此外，零序电流路径在这种结构中被介绍，在这种结构中特殊成分或控制方法被需要来限制零序列电流[ 14 ]。
图5.三电平H桥转换器拓扑（3L-HB）
图6.五电平H桥转换器拓扑（5L-HB）
表一：案例研究的不同变流器拓扑结构参数
结构3L-NPC 3L-HB 5L-HB
额定有功功率10MW
等效频率800Hz
调制法PD-PWM 单极PWM POD-PWM 直流总线电压 5.6kV 2.8kV 5.6kV
原边电压 1.9kV rms 1.9kV rms 3.8kV rms
额定相电流 1.75kA rms 1.75kA rms 972 A rms
滤波器电容 1.13mH(0.2 p.u) 1.13mH(0.2 p.u) 2.89mH(0.2 p.u)
另一个很有前景的利用3L-NPC拓扑的开关手臂的转换器配置（5L-HB），和3L-HB拓扑结构的H桥结构的拓扑结构，如图6。作为3L-HB拓扑对开放式绕组变压器具有相同的特殊要求。相同额定电压的开关装置，该转换器可以达到五级电压输出和相比与3L-NPC和3L-HB双倍的电压幅值。这些功能在开关器件以及电缆中减少额定电流[15] 。然而，这5L-HB拓扑结构中引入了更多的功率设备/电缆以及零序电流路径，所有这些可能会增加的转换器系统的成本。
一个案例研究中的每个转换器拓扑结构的基本设计为：所有的功率开关器件具有换相电压2.8 kV为了利用市场上现有的主导的4.5 kV大功率IGCT / IGBT，然后直流母线和每个配置的最大输出电压可以确定。用于每一个转换器拓扑的最常用的搭载的PWM方法被应用，为了在功率器件中得到一个可接受的开关损耗等效开关频率通常被设计是800Hz 。输出滤波电感的设计限制最大电流纹波为额定电流的振幅的25%，滤波电容不考虑。功率控制方法可以在[ 13 ]发现，在不同的电压骤降下通过逆变器传递的有功和无功电流参考是根据如图2 中德国电网参数来选择的[ 6 ]。设计参数总结在表一，为了简化分析，电网被认为是三个理想的交流电压源，变压器假设为理想的。在低电压穿越时的直流母线电压假设由一个直流母线斩波器控制在额定值的110%，它是从发电机吸收有功功率的一个典型的工业解决方案。在正常的电网操作下每个拓扑的详细的功率损耗和效率性能可以在[ 11 ]发现。
三、平衡低电压穿越控制下的运行状态
在每个转换器拓扑结构参数都解决之后，随着输出电压信息的运行状态，各种低电压穿越条件下的负荷电流和输出功率可被推导和模拟。为了便于在低电压穿越时转换器的操作特性的调查和演示，首先考虑三相平衡的电网故障。
图7总结了在各种平衡电网电压跌落下三个阶段中由网侧变流器传递的有功/无功功率。由于在低电压穿越时注入的无功电流的由图2中电网参数定义，由转换器传递的无功功率Q 仅由电网电压决定。不过，当电网电压高于0.5 p.u.时还有一些灵活方法调整有功电流。为了减少直流母线上制动斩波应力和保持直流母线电压[ 7 ]，[ 8 ]，由变换器传递的在电网电压高于0.5 p.u时的有功功率P应该是指风力涡轮机产生的功率。最坏的情况假设为发电系统将提供尽可能多的有功功率和风力机的桨距角控制没有足够的时间来激活[ 7 ]，[ 8 ]。风速12米/秒的情况（10兆瓦发电），10米/秒（6.3兆瓦发电），8米/秒（3.2兆瓦发电）分别在图7中表示[ 16 ]，[ 17 ]。
图7.在平衡低电压穿越下由转换器传递的有功/无功功率
图8.在平衡低电压穿越下电流载荷的幅值和相角（基于图2中德国电网参数，5L-HB 转换器为电流幅值的一半）
三相平衡的低电压穿越下电流的幅值和相位角度（在负载电流和电网电压之间）显示在图8中，不同风速情况12米/秒，10米/秒，和8米/秒分别表示出。可以看出当电网电压低于0.5 p.u.时，电流的幅值和相位角保持不变，因为100%额定电流注入；然而，当网格电压
高于0.5 p.u.，电流的幅值和相位角随着电网电压和风速的变化极大地改变。
图9.低电压穿越出现时的模拟输出的（正常运行：VW = 10米/秒，PG = 6.3MW /低电压穿越：Vg = 0.05 p.u.，ireactive = 100%Irated)，输出电压脉冲（Vc），栅极电压（Vg），相电流（Iph）。(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。
模拟进行基于Simulink中的PLECS工具箱[ 21 ]，仿真参数是一致的在表一。每个转换器的正常运行状态首先假定在风速10米/秒，这是典型的IEC I 风级标准定义的年平均风速度[ 4 ]。作为一个极端的例子，该转换器进行在定义中的正常运行状态的0.05 p.u.平衡电网电压骤降150 ms。每个转换器的拓扑结构的输出电压脉冲（Vc），电网电压（Vg），相电流（Iph）的研究如表9所示。很显然，在0.05 p.u. 电网电压的低电压穿越下的电流幅值在
相比与正常运行10米/秒的风速的所有三变频器电网电压的增加拓扑结构中显著地增加。
3L-HB; (c) 5L-HB。
当在显示区域图9中放大，在低电压穿越前后的详细的输出波形如图10所示。相比于风速为10米/秒正常运行，当经受电网电压为0.05 p.u.的低电压穿越时转换器的输出对电流的幅度，相位角，电压脉冲宽度上有显着的变化。可以看出负载电流滞后于电压90度因为100%的无功电流的注入，和输出电压脉冲宽度在很大程度上由于较低的调制指数而降低。值得注意的是低电压穿越运行状态出现时5L-HB拓扑结构中输出电压等级从五级降低到三级。
图11. 图10中的功率器件的电流分布(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。
图10中的功率开关器件的电流分布如图11所示。在平衡的低电压穿越中所有的三个转换器拓扑中的电流负荷从晶体管移向二极管（包括续流二极管和钳位二极管），相比与正常的操作条件，增加的电流幅值将增大功率器件的应力。
四、平衡低电压穿越下的功率损失分布
功率半导体开关器件在功率损耗，效率，可靠性，和风力涡轮机转换器的成本中起到至关重要的作用。在风电应用报告中占主导地位的选择是位于IGBT模块，以及IGBT和IGCT 的压装，这在表二有比较[ 9 ]。
表二：风力发电应用中的主功率开关器件
IGBT 模型IGBT 压装IGCT压装功率密度中等高高
可靠性中等高高
成本中等高高
故障种类开路短路短路
维护方便+ - -
散热绝缘+ - -
减振器要求- - +
热电阻中等小小
开关损耗低低高
传导损耗高高低
门驱动器小小大
Westcode,ABB ABB 主要制造商Infineon,Mitsubishi
ABB,Semikron,Fuji
平均电压范围 3.3kV/4.5kV/6.5kV 2.5kV/4.5kV 4.5kV/6.5kV
最大电流范围 1.5kA/1.2kA/750A 2.2kA/2.4kA 2.1kA/1.3kA
IGBT模块封装技术具有较长的应用程序和没有安装问题记录；然而，由于芯片的焊接和粘接导线连接，模块包装设备可能会有更大的热电阻，低功率密度，和较高的故障率[ 18 ]。该压装包装技术通过直接按包接触提高芯片的连接，从而导致增加可靠性（有待科学证明，但从工业经验中得知），更高的功率密度（容易堆积序列连接），和更好的相比模块的包装设备较高的成本缺点的冷却性能。
压装IGCT在90年代引入到中压转换器而且已经成为大功率电动驱动器工艺的形态（例如，石油和天然气应用）但是尚未在风力发电行业被广泛采用也因为成本问题[ 18 ]–[ 20 ]。在本文中，ABB的压装IGCT5SHY35L4512（整流电压2.8 kV /最大电流3.3 kArms）和二极管5SDF16L4503（2.8 kV / 2.6 kArms）选为3L-NPC和3L-HB拓扑结构中的功率开关器件，IGCT 5SHY35L4510（2.8 kV /2.7 kArms），和二极管5SDF10H4503（2.8 kV / 1.8 kArms）选为5L-HB拓扑结构的功率开关器件。使用的功率损耗模型在[ 21 ] [ 22 ]有相同的想法，这是一个普遍接受的功率半导体器件的功率损耗评估方法，和功率损耗基于PLECS工具箱在Simulink进行了仿真。因为制造商的数据不提供在不同温度下的功率损失数据，在本文中的功率器件的损耗被认为是计算温度独立。
值得注意的是，低电压穿越运行过程中，直流母线功率转换器可能因为转换器输入和输出的有功功率的短期不匹配而增长[ 7 ]，[ 8 ]。通常情况下，增加的直流母线电压对于触发制动斩波器的数百毫秒应该是有限的（例如，最大值额定的110%）。据在[ 22 ]的功率损失模型，直流母线电压对功率开关器件中的开关损耗和传导损耗具有重要的的影响。作为一个结果，增加的直流母线电压在低电压穿越时的功率损失分析中应考虑。此外，增加的直流母线电压会明显降低功率开关器件的寿命，由于[18 ]中的辐射失效机制；然而，这个问题将不会在本文中讨论。
风速8米/秒，10米/秒，12米/秒的正常运行以及0.05 p.u.电网电压下的平衡低电压穿越状态下的功率开关器件的损耗分布在图12中相互比较，其中10%的高直流母线电压（3.1 kV、6.2 kV）应用于低电压穿越条件。它可以认为，低电压穿越操作可能会对二极管（D1，D2，DNPC）和内侧开关（T2 3L-NPC和5L-HB）比最强应力的正常运行条件（风速12米/秒，10兆瓦的额定输出功率）造成更大的损失。损失的模拟结果与图11中的电流分布一致，其中二极管和内侧开关重载由于增加了的电流的幅值和移动了的在负载电流和电网电压之间的相位角。
图12.正常和平衡的LVRT下的转换器功率损失分布。(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。
图13.功率器件的热模型
五、平衡低电压穿越下的热分布
功率器件的热性能与变换器的可靠性，功率器件的额定电流和冷却系统的成本密切相关。因此，它对于大规模风电变换器来说是一个的重要指标。在为了进行热性能评估，首先要取得适当的热模型。
一个单一的开关和箝位二极管的热模型如图13 [ 23 ]，[ 24 ]，在其中从结到外壳Z(j?c)的热阻抗被建模为一个四层增强型RC网络，如图14所示。每个热参数可以从制造商的数据表中发现，它们总结在表3中，其中的热电阻Rth将会决定的交界处的稳态平均值温度，和热容量（时间常数τ）将决定的交界处温度的动态变化或波动。环境温度为50°C和变频器运行中被认为的常数。不过，它可能会改变取决于生产现场，和分析的主要结果仍然是有效的。
值得注意的是由于在市场上可以找到可用的产品的限制分开包装的IGCT和二极管被选择。然而，在实际的转换器设计中，IGCT / IGBT和续流二极管通常集成和封装在一起，二极管芯片的尺寸通常是IGCT / IGBT的一半左右，因此，该从结到散热器的二极管的热阻与其数据表不一致但是设置为IGCT的两倍。
通常情况下，环境案件中外部电源装置的热容量相比与在一个适当的设计冷却系统中从结到外壳的内置电源设备更大。更大的热容量具有较长的时间常数从几百毫秒到数百秒[ 25 ]，主要决定获得稳态温度的时间，对在转换器的输出基本周期（数十毫秒）中的动态的交界处的温度波动没有明显的影响。因此，它对忽略在Z(c?h)和Z(h?a)相对较大的热电容来实现更快的热模拟进行了有效的简化。在兆瓦功率变换器系统中，常用分离的散热器，电力设备之间的良好的热去耦可以实现，所以散热片和环境之间的热电阻被认为很小。
基于以前的功率损失模拟结果和热模型中，每个转换器解决方案中的功率器件的结温度进行了仿真，结果在下面的报告中。
图12.正常和平衡的LVRT下转换器损失分布。
(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。
图13.功率器件的热模型
图14.图13中从结到表面的ZT(j?c) or ZD(j?c)阻抗的热模型。
表三：IGCT /二极管的热阻抗参数
A.3L-NPC
在风速10米/秒正常操作下3L-NPC转换器的模拟的结温和三相0.05 p.u.电网电压平衡低电压穿越如图15所示。可以看出两种操作模式下的热分布相当不平等。低电压穿越操作在除了外部开关T1外的所有的开关装置上具有较高的结温，位于二极管箝位Dnpc的最大温度相对于风速10米/秒正常运行增加约20 K 。
根据重要的科夫马松寿命模型[ 24 ]，[ 25 ]，结温平均值Tm和波动幅度ΔTj是两个最重要的功率半导体器件可靠性的信息，在与电网电压相关的3L-NPC转换器中的每个开关装置的模拟Tm和ΔTj分别显示在图16（a）和（b）。当电网电压时低于0.5 p.u.时结温的变化
保持相对平稳，当电网电压时高于0.5 p.u.时结温的变化急剧。当电网电压约在0.7标幺值
时在Dnpc和T1 中有温升，这是由于电流相位角的变化和在T1和Dnpc损失中急速增加的切换损耗。
B. 3L-HB
在风速10米/秒正常操作下的3L-HB转换器中的模拟结温和0.05 p.u.电网电压条件下的低电压穿越状态在图17比较。它可以看出结温均匀分布在正常运行下的所有的开关装置和特别是在低电压穿越下的二极管中显著增加。续流二极管D1／D2中的最高温度相对于风速10米/秒正常运行状态增加约35 K。
在与电网电压相关的3L-HB转换器中的模拟温度Tm和ΔTj如图18所示。它可以看出，低电压穿越下3L-HB拓扑结构的热分布比图16中3L-NPC更平衡，当电网电压高于0.5 p.u.时结温平均值和振幅持续减少。
图15. 在正常操作下结温和在3L-NPC转换器中的低电压穿越（正常运行：Vw = 10米/秒，Pg= 6.3毫瓦/低电压穿越：Vg的=0.05 p.u.）。
图16. 3L-NPC转换器中均衡的低电压穿越的结温分布（Vw = 10米/秒）。（a）结温平均值Tm与电网电压。（b）结温波动ΔTj与电网电压。
图17. 在3L-HB转换器中正常操作下和低电压穿越的结温（仿真结果，正常运行：Vw = 10米/秒，PG =6.3 MW/低电压穿越：Vg = 0.05 p.u.，Ireactive = 100%Irated ）。
图18.在3L-HB转换器中的均衡的低电压穿越的结温分布（Vw = 10米/秒）。（a）结温平均值TM与电网电压标幺值（b）结温波动ΔTj与电网电压标幺值
C. 5L-HB
风速10米/秒的正常运行的5L-HB变换器的结温和0.05 p.u.电网电压的低电压穿越状态在图19比较，与电网电压相关的5L-HB转换器中的模拟Tm和ΔTj如图20所示可以看出在低电压穿越下的5L-HB拓扑的热性能趋势与3L-NPC拓扑非常相似的，但结温保持在一个较低的水平。这是因为比较于3L-NPC拓扑的半额定电流。
D.拓扑结构的比较
在每个转换器拓扑结构中最强调的功率器件的结温比较显示在图21，结温的波动范围表示出。可以看出3L-NPC转换器在三个转换器的拓扑结构中最有竞争力的开关器件Dnpc，当电网电压接近0标幺值（由于大的传导损失）和0.7标幺值（由于大的开关损耗）时最极端的情况出现。3L-HB 拓扑相对于3L-NPC拓扑结构有一个更好的热性能，特别是当电网电压高于0.5p.u.。5L-HB在三种拓扑结构中显示出最佳的温度性能和有与3L-NPC 转换器相似的结温变化趋势。这也意味着它有可能处理更高功率或降低冷却系统和电力半导体的成本。
图19. 5L-HB转换器中正常操作和低电压穿越的结温（仿真结果，正常运行：Vw = 10米/秒，PG =6.3MW/低电压穿越：Vg的= 0.05 p.u.，ireactive = 100%Irated）。
图20. 5L-HB 转换器中均衡的低电压穿越的结温分布（Vw = 10米/秒）。（a）结温平均值TM与电网电压标幺值；（b）结温波动ΔTj与电网电压标幺值
图21.在平衡低电压穿越下转换器之间的结温比较（10米/秒，最有力的装置）。
图22. 风力发电系统并网的典型配置。
表四:不同的电网故障时对总线1和总线2的电压暂降类型/值
六、不平衡的LVRT
现实中的不平衡电网故障（例如，单相接地或两相连接）更容易发生。在这些情况下，电网侧转换器的LVRT操作相比于平衡故障条件（三相接地）更加复杂的。低电压穿越过程中的不平衡电网故障类型和位置，变压器绕组的连接及转换器的功率控制策略严重改变功率器件开关的装载。因此，不平衡电网故障的操作条件必须严格指定。
一个典型的并网风力发电机的配置图22所示，其中Dy变压器用来接口总线2上的功率转换器的输出（例如，3.3 kV）和总线1上的风电场配电线路（例如，20kV ）。电网集成系统中的短路故障会引起在总线1和总线2上的电压骤降。
图23. A–D型跌落的相量图定义
图24. 总线1和总线2上的跌落值。
A.电压骤降的传播
定义电压降值DN代表N线上的标幺值的最低相电压幅值，三种典型的电网故障：具有相同的跌落值的单相接地（1相），两相连接（2相）和三相接地（3相）假设分别发生，在总线1 （D1 = 0.5，无相位跳）。由于变压器绕组的Dy连接,从总线1传播的电压骤降在总线2 上看起来不同[ 26 ]。如表4，总线1上电压跌落的类型和跌落值及总线2上的相应的电压特性包含在图中。电压骤降类型A–D被定义为图23中相量图，分别在[26], [28]中。
可以看出，总线1上的三相平衡的电网故障（3相）传播总线2上的相同的跌落类型和跌落值。当在总线上具有相同的跌落值的电网不平衡故障（1相和3相）引起总线2上的不同跌落类型和跌落值，这是由电网侧转换器检测，导致帮助电网从故障中恢复的无功电流的不同数值。
总线1上与总线2上相应的跌落值相关的电压暂降值的整个范围如图24所示，其中平衡（3相）和非平衡（1相和2相）电网故障分别指出。很明显，总线1上的平衡电网故障将传递总线2上相同的跌落值。虽然当在总线2上传播时发生在总线1上的单相不平衡电网故障具有较高的跌落值，在总线2上传播时总线1上两相不平衡电网故障有较低的跌落值。
为了分析简单，只有总线1上的单相接地故障在本文中被选为不平衡的LVRT的一个例子。通过风电变换器注入电网的无功电流是按照参照图2中的要求的总线2上最低的相电压幅值来设置的。要求转换器产生的有功/无功电流只有正序分量，负序电流控制为零。对于不同相序电流的控制方法可以在[ 27 ]中发现，以及在各种低电压穿越下的转换器的运行仍然是对于未来电网标准的持续讨论话题。
图25.在单相电网故障中由变换器传递的有功功率（根据图2中的德国电网数据）。
数据有一半的电流幅值）。
图27.不平衡电网故障时的输出波形。（总线2上C型故障D2 = 0.577 p.u.，Vw = 10米/秒）。
图28.功率变换器的三相相位角（电网电压的负载电流）（总线2上C型故障）。
图29.正常和不平衡的LVRT下的转换器功率损失分布。
（总线2上C型故障D2 = 0.577 p.u.，Vw = 10米/秒）。（a）3L-NPC；(b) 3L-HB; (c) 5L-HB。
B.单相不平衡电网故障中的运行状态
在单相不平衡电网电压骤降中由网侧变换器传递的有功/无功功率如图25所示，其中水平轴代表总线2上电压跌落值。值得注意的是，总线1上的单相电压跌落（B型）扩散到总线2上两相电压骤降对（C型），根据Dy变压器特性跌落值D2不得低于0.577 。风速12米/秒（10 MW发电功率），10米/秒（6.3MW发电功率）和8米/秒（3.2MW 发电功率）的情况分别表示出。
电流的幅值，以及在单相电网不平衡故障中的相位角如图26所示，其中相位角表示在负载电流和C型电网故障定义图的一相电网电压（图23）之间的角度。可以看出，电流幅值和相位角随着电网电压和风速的变化急剧改变。
作为一个例子，图27显示了电网电压，负载电流以及总线1上经受单相电网不平衡故障的风力发电转换器的瞬时有功/无功功率。根据图2中的电网数据风速在10米/秒（6.3兆瓦），跌落值D1在0 p.u.（0.577 p.u.当传播到总线2），正序有功电流在0.533 p.u.，反应电流在0.864 p.u. 。
可以看出，总线2上的电网电压图23中定义的C型故障是一致的，并在转换器中的电流是三相对称的，这意味着只有正序电流产生。由于负序电压的存在，在转换器传递的有功/无功功率中有一个100 Hz的波动[ 25 ][ 28 ]这被认为是由直流母线斩波器吸收的。
通过定义在图23中的C型电网电压跌落相量图，当单相电网故障出现在总线1时，总线2上的B相电压和C相电压有一个相移，从而各相电压之间的角度不再是120°。另一方面，要求只有正序电流应该由风电变流器传递；因此，每相电流之间的夹角是仍然保持在120°，如图27所示。
图28显示了在单相电网单相不平衡电压故障出现时的与电压跌落相关的三相风电转换器的相角度（在相电压和电流之间）。12米/秒和8米/秒的风速条件分别表示出。
如前所述，相位角以及电压/电流的幅值与功率开关器件的载荷密切相关。通过图27、28可以看出转换器三相的电压幅值和相位角相互之间相当不同；因此，该装置功率损失和热分布对于在不平衡低电压穿越下的转换器的每个相也应不同。
C.损失分析单相不平衡电网故障下的功率损失分析
正常运行下功率开关器件的损耗分布（风速12米/秒）和在非平衡低电压穿越下转换器的三相损失分布图29相比较。10%高的直流母线电压适用于低电压穿越条件。可以看出，低电压穿越运行相比于最正常的运行状态仍然对二极管和内侧开关有显着功率损失，三相中的损失分布对于每种拓扑结构是不对称的。
D.在单相不平衡电网故障下的热分布
转换器三相的模拟的结温如图30所示，其中转换器经历不平衡的低电压穿越（总线2上C型故障D2 = 0.577 p.u.，Vw = 10米/秒）。可以看出对于3L-NPC拓扑结构热分布不仅在设备也在三相是不均匀的。B相有一个加强的Dnpc和T1，而A、C相有加强的T2，D1和D2。发现在B相中的Dnpc在给定条件下是最强调的转换器装置。
3L-HB拓扑的热分布在设备和三相中更平等，C相中D1/D2 是最强调转换器设备。
5L-HB转换器的热分布趋势与3L-NPC拓扑结构相似，但在设备和三相中这种不平均的有明显改善。
每个拓扑结构三相中最强调的功率装置结温比较如图31所示，其结温的波动范围显示出。再次，3L-HB和5L-HB拓扑结构不平衡低电压穿越条件下具有优势（总线2上C型故障，Vw = 10米/秒）。
Vw = 10米/秒）。(a) 3L-NPC；(b) 3L-HB；(c) 5L-HB。
型故障，Vw = 10米/秒）。
低电压穿越技术在火电厂中的应用摘要：本文根据火电厂用电压下降引起的电力系统故障，有可能导致火电厂给煤机停止机组跳闸的安全隐患，提出了一种低电压穿越火力发电厂600MW机组通过应用转化。通过现场试验结果表明，采用低电压穿越改造设计方案是可行的，具有普遍适用性，适用于其在低电压下的火电厂燃煤发电机组的改造，具有一定的理论意义和指导价值。 关键词: 低电压穿越;变频技术;火电厂 给煤机是火电厂重要的辅助设备。由于变频器电压闭锁保护意识不足，许多发电厂没有意识到变频器会在电网低电压时闭锁输出，导致局部电网失去稳定，对电网产生重大影响。其主要原因是大部分火电厂的辅助设备采用变频技术不能满足低电压穿越能力。 1存在问题 通过对故障电厂给煤机的测试发现，当电压从380V降低到310V时，某公司生产的给煤机控制器发出给煤机停止信号。当全部给煤机瞬问停止运行后，触发锅炉保护的“全炉膛燃料丧失”引起机组跳闸。当给煤机变频器电压降至210V时，给煤机变频器发生低电压跳闸并报警，从实际测试看，当给煤机电压降低到给煤机控制装置允许电压后，将发出给煤机跳闸信号，从而使给煤机停止运行;给煤机电源再降低时，将直接触发给煤机变频器跳闸。所以，对给煤机稳
定运行有影响的需要改进以下两个方面内容:①确保给煤机控制器交流工作电源稳定;②电网电压降低时为了保证给煤机变频器正常运行，需在变频器直流母线端子并接一个稳定的直流动力电源。 2解决方案 根据电网公司对火电厂辅机低电压穿越改造提出明确的技术要求:①当外部故障或扰动引起的变频器进线电压跌落幅值在额定电压85%，变频器应能持续正常运行;电压跌落幅值在额定电压20%,应能连续运行1s。②择优选择解决方案，力求方案简化。加装的设备在工作时不应产生较大的电流，对厂用电系统造成较大冲击;不能因加装的设备发生故障导致辅机变频器停机。③加装的设备安全可靠，不应给电网或原有设备带来新的安全隐患。变频器通过检测其直流母线电压是否在正常范围之内，判断工作电压是否满足运行要求。因此，常规的抗低电压措施均采用在变频器直流母线端子加装一个稳定的直流源，来确保交流输入电源降低时，变频器直流母线电压维持不变，进而维持变频器的正常运行。目前，针对变频器低电压穿越问题国内主要采用以下2种方案。 2.1给煤机变频器直流母线加装蓄电池组 ABB ACS510系列变频器正常运行时直流母线电压一般在500V左右，需要每台机组至少安装一组电压为500V的蓄电池组，将蓄电池直流输出电压并接至给煤机变频器直流母线端子。为了保证蓄电池的正常充电，需单独配备蓄电池组充电屏。 该方案技术理论简单、成熟，但安装蓄电池组和充电屏占地
给煤机、空预器变频器低电压穿越装置 安装、调试方案 批准： 复审： 初审： 编写： 河南检修电气专业 2012年07月13日
一、装置概况： 根据根据坑口公司电气专业要求，对1、2号炉14台给煤机8台空预器变频器安装变频器低电压穿越装置。 GLT-20A、B型变频器低电压穿越装置当电网电压正常时装置待机，电能通过交流旁路向变频器送电，BOOST升压回路处于旁路状态，不参与装置运行。当电网电压发生跌落时，BOOST升压电路以BOOST工作状态启动，保证到负载稳定的直流电压。 装置的运行模式下有两种工作状态：BOOST工作状态、非BOOST工作状态。BOOST工作状态是指在电网电源发生跌落时，BOOST升压电路可以提供变频器稳定的直流电压，维持变频器正常工作; 非BOOST工作状态是指在电网电源正常时，BOOST升压电路不参与装置的运行，电能通过交流旁路向变频器送电。 二、组织措施： （一）施工技术负责人：徐洪民 施工安全负责人：和占明 施工人员：和海涛李海龙等 施工上岗到位人员： 1、组织人员：徐洪民、和占明、张海明 2、参加人员：河南维护电气二次班人员
（二）人员责任分工： 1、徐洪民负责本次安装全面协调工作，负责技术方案审核并负有安全技术措施管理执行和完成落实责任。 2、和占明组织本专业全面检修与配合工作，对检修人员的安全负管理责任。 3、张海明负责检修工作过程中的技术监督工作，负责整体检修工作人员组织与协调工作。 一、施工安全措施 （一）、施工作业危险点分析 1、不办理工作票即开始工作，即无票工作，安全措施未落实，造成人身伤害、设备损坏。 2、进行拆接线时，发生人身触电。 3、误接线。 4、电缆勋伤 （二）、施工作业危险点预控措施 1、电气工作应按照规定办理电气工作票，严禁无票工作。 2、作业前工作负责人向工作班成员交待好作业危险点，现场使用的检修电源必需配臵合格的漏电保安器。 3、工作前要验电，确认设备停电并将盘内电源开关至于断开位臵后方可开始工作。 拆接线时应做好监护、拆接线应做好绝缘防护严防短路和接地，工作时要戴好线手套。
低电压穿越试验检测装置用户使用手册
目录 第一章概述 (2) 第二章技术条件 (3) 2.1 环境条件 (3) 2.2 执行现行国家标准 (4) 第三章装置技术说明 (4) 3.1 功能特点 (4) 3.2 技术参数 (5) 第四章装置使用说明 (6) 第一章概述 2011年4月，随着国家发改委出台了关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知，2011年中国光伏市场前景大好，中国光伏装机容量增长依旧强劲，2011全年的安装量达到2GW，2012年装机超过4GW。到2015年底和2020年底，分别达到20GW和50GW。由此可见未来几年的光伏市场潜力和产能需求非常大。
随着光伏在电力能源中所占比例越来越大，光伏发电系统对电网的影响已不容忽视。尤其是我国光电大规模集中式开发，当电网发生故障造成并网点电压跌落时，一旦光伏逆变器自动脱网可能造成电网电压和频率的崩溃，严重影响电网的安全稳定运行。因此，大功率光伏并网逆变器必须具有低电压穿越能力(Low V oltage Ride Through，LVRT)。其并网必须满足相应的技术标准，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许光伏逆变器脱网，当电压在凹陷部分时，逆变器应提供无功功率。 目前，丹麦、德国等欧洲国家制定了新的电网运行准则；在国内，国家电网公司也已发布了《光伏电站接入电网技术规定》、《光伏电站接入电网测试规程》。然而，目前国内试验和测试手段匮乏，尚不能研制与技术标准相配套的低电压穿越测试装置（电压跌落发生装置），低电压穿越等测试试验无法在现场进行，难以为光伏电站并网验收试验提供有效的技术支撑，也严重制约我国光伏发电的应用和发展。 为了提高我国光伏逆变器并网运行检测能力，推动光伏发电配套设备的自主创新，解决我国光伏发电并网运行的瓶颈，中国电科院中电普瑞科技有限公司在成功研制张北国家风光储实验基地风电检测中心35kV/6MV A电压跌落发生装置的基础上，通过自主创新进一步研制出国内首创的光伏逆变器低电压穿越测试装置。该装置采用阻抗分压式、集中结构、紧凑型设计，具有运输方便、测试灵活、占地面积小等优点。 低电压穿越测试装置根据国内光伏逆变器的特点，开发LVRT—1M系列产品，分别适用于1MW及以下光伏并网逆变器的低电压穿越测试装置，可根据用户需要灵活选择。 第二章技术条件 2.1 环境条件 序号项目现场条件 1 安装地点室外 2 海拔高度1500m
低电压穿越能力 低电压穿越能力（Low voltage ride through capability），就是指风力发电机的端电压 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。这可大大减少风电机组在故障时反复并网次数,减少对电网的冲击。 具有低电压穿越能力可保证风电机组在电网故障电压降低的情况下 , 尽最大可能与电网连接 ,保持发电运行能力，减少电网波动。一般 230 kV 或更高电压等级线路的故障，在 6 个周波(120 ms)内被切除 ,电压恢复到正常水平的 15 %需要 100 ms ,恢复到正常水平的 75 %或者更高水平则需要1 s ，LVRT功能是要风电机组在故障电压短时间消失期间 ,保持持续运行的能力 ,如此后电压仍处在低压 ,风电机组将被低压保护装置切除。 低电压穿越能力的具体实现方式 目前实现低电压穿越能力的方案一般有三种：1).采用了转子短路保护技术，2).引入新型拓扑结构，3）.采用合理的励磁控制算法。 1、转子短路保护技术（crowbar电路） 这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其在发电机转子侧装有crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路（释能 电阻）保护装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行（此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行）。 2、新型拓扑结构包括以下几种：1).新型旁路系统 2).并联连接网侧 变流器 3).串联连接网侧变流器 3、采用新的励磁控制策略 从制造成本的角度出发，最佳的办法是不改变系统硬件结构，而是通 过修改控制策略来达到相同的低电压穿越效果：在电网故障时，使发电机 能安全度越故障，同时变流器继续维持在安全工作状态。
****电厂 给煤机/空气预热器变频器低电压穿越改造方案
目录 一、火力发电厂给煤/粉机及空预器系统现状分析 (2) 二、网源协调对火电厂关键辅机变频器低穿能力要求 (4) 三、电厂关键辅机变频器低穿能力梳理核查 (6) （一）厂用负荷分类 (6) （二）厂用负荷继电保护动作特性 (6) （三）厂用负荷变频器低穿能力要求原则 (7) （四）低电压对现有厂用负荷的影响分析 (7) 四、技术改造方案 (9) （一）大惯性类负荷变频器 (9) （二）给煤机、给粉机类负荷变频器 (9) （三）各种技术方案特点及对比分析 (12) 五、SCS-230火电机组辅机电源控制系统 ................................................. 错误！未定义书签。 （一）系统原理..................................................................................... 错误！未定义书签。 （二）系统特性..................................................................................... 错误！未定义书签。 （三）支撑方式..................................................................................... 错误！未定义书签。 （四）SCS-230火电机组辅机电源控制系统两种技术方案.............. 错误！未定义书签。 （五）检验方法..................................................................................... 错误！未定义书签。 （六）SCS-230火电机组辅机电源控制系统检测报告...................... 错误！未定义书签。
低电压穿越：当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。 低电压穿越 英文:Low voltage ride through 缩写: LVRT 低电压穿越（LVRT），指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持 低电压穿越 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)。LVRT是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家(和地区)所
基本要求 对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省（区域）级电网，该电网区域内运行的风电场应具有低电压穿越能力。 风电场低电压穿越要求 右图为对风电场的低电压穿越要求。 a) 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； b) 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。 不同故障类型的考核要求 对于电网发生不同类型故障的情况，对风电场低电压穿越的要求如下： a) 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。 b) 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。 c) 当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
低电压穿越技术规范书 1 总则 1.1低电压穿越技术规范书适用于光伏发电站并网验收、风电场接入并网验收、光伏逆变器型 式试验、风力发电机组的低电压穿越检测平台，包括主要设备及其辅助设备的功能设计、结构、性能、安装和试验等方面的技术要求。 1.2低电压穿越技术规范书要求该检测平台能够同时满足现场安装在风电场的单台风电机组低 电压穿越能力检测，满足光伏发电站并网接入验收的低电压穿越能力检测，满足光伏逆变器与风电发电机组的型式试验的低电压穿越试验检测。 1.3低电压穿越技术规范书所提出的是最低限度的技术要求,并未对一切技术细节做出规定,也 未充分引述有关标准和规范的条文。供方应保证提供符合本规范书和工业标准的优质产品。 2 低电压穿越技术使用条件 2.1低电压穿越技术环境条件 a) 户外环境温度要求：－40℃~ 50℃； b) 户外环境湿度要求：0~90% ； c) 海拔高度：0~2000米（如果超过2000米，需要提前说明）。 2.2安装方式：标准海运集装箱内固定式安装。 2.3储存条件 a）环境温度－50℃～50℃； b）相对湿度0～95% 。 2.4低电压穿越技术工作条件 a) 环境温度－40 oC～40oC； b) 相对湿度10%～90%，无凝露。 2.5低电压穿越技术电力系统条件 a) 电网电压最高额定值为35kV，电压运行范围为31.5kV~40.5kV；同时也可以同时满足 10kV\20kV电网电压的试验检测。 b) 电网频率允许范围：48~52Hz；
c) 电网三相电压不平衡度：<= 4%； d) 电网电压总谐波畸变率：<= 5%。 2.6负载条件 负载包括直驱或双馈式等风力发电机组，其总容量不大于6.0MVA。其控制和操作需要满足国家关于风电机组电电压穿越测试与光伏发电站的相关测试规程技术要求。 本检测平台能够同时满足同等条件下光伏电站或光伏逆变器的低电压穿越能力测试。 2.7接地电阻：<=5Ω。 3低电压穿越技术检测平台的技术要求 3.1 结构及原理要求 根据模拟实际电网短路故障的要求，测试系统须采用阻抗分压方式，原理如下图1所示(以实际为准)。测试系统串联接入风电机组出口变压器高压侧(35kV、20 kV、10 kV侧)。 图1 低电压穿越技术测试系统原理图 3.2 测试系统功能要求 （1）整体要求 ?测试系统紧凑式安装； ?任何测试引起的测试系统电网侧电压波动均小于5%Un； ?测试接入系统电压等级：适用于35kV系统，如果需要可考虑兼容10kV系统；
浅谈风电场涉网性能 ——低电压穿越性能 编制：韩树才 项目：中宁天润项目 提交时间：2014-12-24 部门：宁夏事业部
摘要 随着风力发电技术的迅速发展和其装机容量的不断增大，风力发电技术面临着提高电能质量和电网稳定性的严峻挑战。当电网发生故障导致电压跌落时，若风电机组不具备低电压穿越能力将会从电网切除，风电机组的大面积切机不仅将对电网稳定性造成巨大影响，而且还会对风机本身产生影响，因此风电机组具备较高的低电压穿越能力很重要。 关键词：风电场；电流保护；低电压穿越；集电线 目录
摘要 (2) 一、风电场低电压穿越简述 (3) （一）风电场低电压穿越能力基本概念 (4) （二）风电场低电压穿越能力评估 (4) （三）风电场低电压穿越面临的问题 (5) 二、风电场机组配置及特性改进 (8) （一）风电场电气结构保护配置 (8) 三结束语 (9) 参考文献 (10) 一、风电场低电压穿越简述
（一）风电场低电压穿越能力基本概念 大容量风电场并网必须具备一定的低电压穿越能力（英文缩写 LVRT），在电网故障等紧急情况下提供一定的电压和无功支撑。如出现过电压、过电流或转速上升等，严重危害风机本身及其控制系的安全运行；当电压无法恢复时，风电机组将会实施被动式自我保护解列，从电网中切除，从而更大地增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致整个电网瘫痪。因此必须采取有效的低电压穿越措施，以维护风场电网的稳定和提高电能传输效率。低电压穿越能力主要体现在两个关键指标上：电压跌落幅值和持续时间。 电压跌落幅值：电网中严重的电压跌落基本上都是由系统故障引起的，继电保护将检测电压跌落的幅值并判断是否动作跳闸，直接决定电压跌落的持续时间，从而影响对并网风电场的低电压穿越能力要求如果能有效地辨识风电场并网处母线电压跌落的危害程度，自适应调整故障间隔的保护控制策略，将有效地整体降低健全间隔上风电机组感受到的电压跌落持续时间，从而提高风电场低电压穿越能力； 持续时间：利用电容器的瞬间对大电感放电当电流达到峰值时，使电流延续通过，从而达到较长的放电时间，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时段，提高风电场的整体平稳运行能力。 因此，有必要将风电场低电压穿越能力规范要求引入到继电保护的动作特性中，研究改进风电场集电线路继电保护的动作特性，降低对并网风电机组拖网风险。（二）风电场低电压穿越能力评估 国家电网公司于2009年颁布《风电场接入电网技术规定》，规定风电场低电压穿越要求如图1所示，其关键点为：并网点电压跌落至额定电压的20％时，风电机组必须保持运行0.625ｓ；当并网点电压为额定电压的90％时，风电机组应稳定运行。考虑到风电机组输出功率的非突变性，将图１所示的低电压穿越能力规范反映到风电机组中，表现为低电压运行状态下的风电机组大电流输出能力要求，以维持风电机组输入、输出功率的平衡。
简述风电机组低电压穿越技术要求及 实现方式 （赵矛） 发生在今年的多次风电机组大范围拖网问题引起了电 力行业对于风力发电的稳定性和安全性的重点关注。2月24日，中电酒泉风电公司桥西第一风电场出现电缆头故障，导致16个风电场598台风电机组脱网。国家电监会认为此次事故是近几年中国风电“对电网影响最大的一起事故”；4月17日，甘肃瓜州协合风电公司干河口西第二风电场因电缆头击穿，造成15个风电场702台机组脱网。同日，在河北张家口，国华佳鑫风电场也发生事故，644台风电机组脱网；4月25日，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网。关于事故的原因，主要矛头直指很多风电机组不具备低电压穿越能力。这轮事故频发的几大风电基地更是被指70%的机组不具备低电压穿越能力。本文对风电机组的低电压穿越进行简述。 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，而对于风
电机组的低电压穿越能力具体技术要求指标如下： 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； 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能力的深度对机组造价影响很大,这也是之前很多机组不具备低电压穿越能力或者低电压穿越能力技术指标不能达标的原因。通过此次大范围的风电机组拖网事故表明根据实际系统对风电机组进行合理的低电压穿越能力设计很有必要。 结合此轮事故的调查，及行业内通过对变速风电机组低电压穿越原理进行理论分析,对多种实现方案进行比较。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电压穿越功能模型。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电压穿越能力的电压限值,对风电机组进行合理的电压穿越能力设计等多种技术手段及分析。结果表明,风电机组电压穿越能力的深度主要由系统接线和风电场接入方案决定。设计风电机组电压穿越能力时,机组运行曲线的电
光伏并网逆变器低电压穿越 低电压穿越：当电网故障或扰动引起逆变器并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，光伏发电机组能够不间断并网运行。 对专门适用于大型光伏电站的中高压型逆变器应具备一定的耐受异常电压的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电源的不稳定。逆变器交流侧电压跌至20％标称电压时，逆变器能够保证不间断并网运行1s；逆变器交流侧电压在发生跌落后3s内能够恢复到标称电压的90％时，逆变器能够保证不间断并网运行。对电力系统故障期间没有切出的逆变器，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。低电压穿越过程中逆变器宜提供动态无功支撑。 并网点电压在图1中电压轮廓线及以上的区域内时，该类逆变器必须保证不间断并网运行；并网点电压在图1中电压轮廓线以下时，允许停止向电网线路送电。
菊水皇家电网模拟器能协助逆变器厂家研发生产PVS7000电网模拟器
产品特点 ================================================================================= ====
■三相电压独立可调，相位角独立可调； ■LIST,STEP两大模式，可执行30组不同电压、频率、时间的设定，并可连续作循环测试。运行时间最短可以设定10ms，可用于模拟电网测试，实现电压、频率渐变，步阶功能，轻易完成低电压穿越试验；■具有主动式PFC，可做低电压穿越实验， ■具有同步触发功能，可方便精准的进行低电压穿越试验，波形如下图： ■可做过/欠压，过/欠频实验；
1.1 文献[1]文中以发电厂给煤机变频器为例，分析低电压穿越产生的原因和危害，并结合生产现场经验，从安全性、经济性分析防范措施，提出优化DCS控制逻辑和变频器控制电源是防止变频器低电压穿越事故的最佳解决方案。方案 1，即参照《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范》要求，提高变频器自身躲过低电压穿越能力。经投入运行的一类辅机变频器。方案2，即一方面变频器控制电源采用UPS供电,保证控制电源不中断；另一方面优化DCS控制策略，并结合不同系统的设备允许电动机停运时间增加延时来躲过低电压穿越情况，当电源供电恢复时，及时实现变频器自启动。 [1]周道军.变频器防低电压穿越分析[J].江苏电机工程.2015.34（2）：37-40. 1.2 文献[2]本文主要研究了在给煤机变频器交流电源输入部分加装抗低电压扰动设备的技术方案。提出两种解决方案:方案一，在变频器中间直流环节加装 UPS(蓄电池)。方案二，在辅机变频器前部加装抗低电压扰动设备。并分析了电网故障情况下辅机安全运行问题，通过仿真验证了该技术方案在系统电压跌落至 20% 且持续 10 s 的情况下不灭火、不跳闸和其出力波动≤10% 的技术指标且必须保证各种运行方式下机组都具有足够的低电压穿越能力。 [2]张东明,姚秀萍,王维庆,常喜强,王海云.含低电压穿越电源的火电厂辅机变频器的研究[J].华东电力.2013.41.（6）：1345-1347. 1.3 文献[3]本文主要阐述了高低压变频器结构，总结了各种低电压穿越改造方案，提出并联蓄电池，并联升压电路，并联升压电路加少量蓄电池，并联升压电路加厂内保安电源，串联UPS，串联升压电路等，并分析了各种方案的优缺点。其中并联蓄电池和串联UPS取得了很好的效果。国家电网对变频器低电压穿越的定义是：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。 [3]姚新阳,黄学良,顾文,蒋琛,唐一铭.火电机组一类辅机变频器低电压穿越改造技术研究[J].电气技术.2015.（12）：26-30. 1.4 文献[4]本文详细阐述了高压变频器的低电压穿越对火电厂安全运行的重要性以及其具体实现方式。对于高压变频器，通过改变矢量控制方式实现变频器在电压暂降期间能够不跳闸，实现高压变频器的安全运行；对于低压变频器则采用外加电源或补偿装置来保证低电压穿越的实现。为火电厂实现高低压变频器的低电压穿越提供了实现方法。 并提出了三个低电压穿越区即暂态穿越区，动态穿越区和稳态穿越区。 1）变频器暂态低电压穿越区：变频器在进线电源电压跌落到≥20%额定电压，持续时间≤0.5 s 的区域内，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。 2）变频器动态低电压穿越区：变频器在进线电源电压跌落到≥60%额定电压，持续时间≤5 s 的区域内，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。 3）变频器稳态低电压穿越区：变频器在进线电源电压跌落≥90%额定电压，持续时间≥5 s 的区域内，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。
低电压穿越 当前光伏发电已成为太阳能资源开发利用的重要形式，其中大型光伏电站的接入，将对电网的安全稳定运行产生深刻影响，特别是在电网故障时光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态，带来更加严重的后果。 当光伏电站渗透率较高或出力加大时，电网发生故障引起光伏电站跳闸，由于故障恢复后光伏电站重新并网需要时间，在此期间引起的功率缺额将导致相邻的光伏电站跳闸，从而引起大面积停电，影响电网安全稳定运行[3]。因此，亟须开展大型光伏电站低电压穿越技术的研究，保障光伏电站接入后电网的安全稳定运行。 一、低电压穿越使用条件 1、环境条件 a) 户外环境温度要求：－40℃~ 50℃； b) 户外环境湿度要求：0~90% ； c) 海拔高度： 0~2000米（如果超过2000米，需要提前说明）。 2、低电压穿越安装方式：标准海运集装箱内固定式安装。 3、储存条件 a）环境温度－50℃～50℃； b）相对湿度 0～95% 。 4、低电压穿越工作条件 a) 环境温度－40 oC～40oC； b) 相对湿度 10%～90%，无凝露。
5、低电压穿越电力系统条件 a) 电网电压最高额定值为35kV，电压运行范围为31.5kV~40.5kV；同时也可以同时满足10kV\20kV电网电压的试验检测。 b) 电网频率允许范围：48~52Hz； c) 电网三相电压不平衡度：<= 4%； d) 电网电压总谐波畸变率：<= 5%。 6、低电压穿越负载条件 负载包括直驱或双馈式等风力发电机组，其总容量不大于6.0MVA。其控制和操作需要满足国家关于风电机组电电压穿越测试与光伏发电站的相关测试规程技术要求。 本检测平台能够同时满足同等条件下光伏电站或光伏逆变器的低电压穿越能力测试。 7、低电压穿越接地电阻：<=5Ω。 二、低电压穿越技术要求 光伏电站低电压穿越技术（Low Voltage Ride Through，LVRT）是指当电网故障或扰动引起的光伏电站并网点电压波动时，在一定的范围内，光伏电站能够不间断地并网运行。 2010年底，国家电网公司出台的《光伏电站接入电网技术规定》（企标）明确指出[10]，“大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力；电力系统发生不同类型故障时，若光伏电站并网点考核电压全部在图中电压轮廓线及以上的区域内
在背靠背NPC转换器的风力发电系统中用于低电压穿越的存储在发电机转子惯量的能量的应用 萨尔瓦多阿勒颇子，会员，IEEE，亚历杭德罗卡，学生会员，IEEE，塞尔吉奥布斯克茨蒙日，高级会员，IEEE，萨米尔库罗，会员，IEEE，和本吴，研究员，IEEE 摘要 随着风电装机容量的增长，风力发电成在整个发电系统中已占据十分重要的比例。所以，电力系统运营商包括风电厂的监管为了提高整个电力系统的控制水平，无论是在稳态和暂态操作状态。因此，风力发电系统需要验证电力系统运营商规定的电网连接的要求。当出现电网电压降时，低电压穿越（LVRT）技术要求的承诺生成在所产生的有功功率和向电网提供的有功功率之间的不匹配。传统的解决方案假设有源电力过剩消耗在一个直流环节电阻上。在本文中，一个连续的控制方案提出了中性点钳位转换器。在电网电压骤降时，发电机侧和电网侧转换器的控制器同时工作以符合储存在涡轮发电机的机械系统惯性的有功功率过剩同时保持恒定的直流母线电压的低电压穿越技术的要求。仿真和实验结果验证了所提出的控制方案。 关键词：低电压穿越（LVRT），中性点钳位转换器，风能转换。 一、引言 上世纪90年代初以来，风力发电装机容量已明显增加[ 1 、2]。到2010年底，世界总装机容量的风力发电能力达到194.5GW [如图 1 ]，同时并入电网的风能不断增加。例如，在西班牙，平均风能渗透度在2008、2009、2010年分别已经达到11%，13.8%，和16% [ 3、4、5 ] 。然而，风电穿透暂时达到更高的重要性，例如，在西班牙已达到53% （2009年11月8日）[ 6 ]。 在这样的背景下，电力系统运营商通过逐步更新他们的电网连接要求（GCR）确保可靠性和效率来应对这种新的情况。这种更新的电网连接要求包括在整个电力系统的运行控制的分布式发电[ 7 、8] 。 典型的稳态或准稳态运行的要求如基于系统电压和频率的反应和有功功率调节在电网连接要求被指定。在短暂的操作，当电网跌落时低电压穿越（LVRT）技术要求需要风力发电厂保持连接，有助于通过具体的取决于电网电压跌落深度的配置文件向电网提供有功和无功功率来保持网络的电压和频率稳定。因此，低电压穿越技术可能是在电网连接要求中最具挑战性的，至少从风能转换系统（WECS）的观点可以看出。所有这些要求大大影响现代的风能转换系统中功率转换器和控制器的设计 [9 、10 ]。
浅谈风电场低电压穿越技术 摘要：低电压穿越能力：是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网， 对过电压、过电流进行抑制技术，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢 复正常，从而“穿越”这个低电压时段。 关键词：浅谈；风电场；低电压；穿越技术 一．规程与标准 根据《国家能源局关于加强风电场并网运行管理的通知》（国能新能【2011】182号），风电机组应严格按照《风电机组并网检测管理暂行办法》的要求，具 备低电压穿越的能力，并通过有关机构的检测认证；对于风电装机容量占其他电 源总容量比例大于5%的省（区域）级电网，该电网区域内运行的风电场应具有 低电压穿越能力。《风电场接入电力系统技术规范》（GB/T 19963—2000）中对 风电场低电压穿越能力的基本要求： （1）风电场内的风电机组具有并网点电压跌至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。 二.发生低电压穿越的原因 针对电网故障引起的故障，通常可以分为电网单相接地故障、电网两相接地 故障、电网两相相间短路故障以及电网三相相间短路故障引起的电压跌落，根据 电力系统运行经验表明，在各种类型的电网故障中，单相接地故障占大多数，容 易引起不对称故障电路，而对于我们风力发电场，除了考虑电网电压的波动，还 应该分析风电场集电线路和风机所对应的箱变等可以引起风电机组网侧电压波动 的因素。 三．永磁同步风力发电机组实现低电压穿越的原理 1. 永磁直驱同步风力发电系统 永磁直驱同步风力发电系统是一种新型发电系统，采用风轮直接驱动多极低 速永磁同步发电机发电，然后通过全功率变流器变换电路，将电能转换后并入电网。 2.全功率变流器 全功率变流器是由发电机侧变流器和网侧变流器两个三相PWM电压型变流 器构成，发电机侧变流器实现对永磁同步发电机的控制，网侧变流器实现输出并网，输出有功、无功功率的解耦和直流侧电压控制，永磁直驱同步风力发电系统 依靠全功率变流器实现高性能控制。 风电机组利用背靠背全功率变流器实现隔离，低电压运行能力上相对双馈型 风力发电机组有一定优势，但是其直流侧也会存在过电压的问题，当电网电压跌 落时，永磁直驱风力发电机组变流器将增加电流，以便提供同样大小的功率给电网，由于变流器的热容量有限，因此必须对输入电流进行限制。 3.关于耗能Crowbar电路的低电压保护方案 风电机组的卸荷电阻通过功率器件与直流侧相连，当系统正常工作时，保护 电路不起作用，当电网电压发生电压跌落故障时，如果风电机组保持正常运行， 那么直流侧输入功率不变，而输出功率随电网电压的跌落而降低，直流侧输入功 率大于输出功率，如果直流侧不采取措施，将导致直流侧电压上升，导致变流器 损坏，为了消除电网短路时故障对风电机组的影响，在直流侧增加了Crowbar电
变频器低电压穿越装置的研究 发表时间：2017-09-19T10:26:33.357Z 来源：《电力设备》2017年第13期作者：杨攀林白智勇 [导读] 摘要：近年来，随着火电厂内部辅机系统变频器的大规模使用，出现了电网发生瞬时电压波动引起大量火电机组跳机的问题，由于变频调速设备不具备低电压穿越功能，触发了变频器的低电压保护，致使变频器闭锁输出，最终导致事故发生。为满足工业现场对变频器低电压穿越的实际需求，变频器低电压穿越电源装置成为解决问题的关键。 （国电投宁夏能源铝业临河发电分公司发电运行部宁夏灵武 750411） 摘要：近年来，随着火电厂内部辅机系统变频器的大规模使用，出现了电网发生瞬时电压波动引起大量火电机组跳机的问题，由于变频调速设备不具备低电压穿越功能，触发了变频器的低电压保护，致使变频器闭锁输出，最终导致事故发生。为满足工业现场对变频器低电压穿越的实际需求，变频器低电压穿越电源装置成为解决问题的关键。 关键词：变频器；低压穿越；装置；分析 1导言 变频器已经成为火电厂重要的辅机调速设备，特别是火电厂燃煤机组给煤机变频器的应用更为广泛。在电网发生故障而引起电压跌落时，若电压降落达到变频器极限运行电压，而变频器本身不具备低电压穿越能力，会直接导致运行中机组给煤机全停，触发全炉膛燃料丧失保护导致机组跳闸。另外给煤机控制器一般均取至厂用交流电源，控制器本身工作电源也有一定的范围，若电网电压跌落导致给煤机控制器不能正常工作时也会导致给煤机停运。 2变频器概述 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 3功能作用 3.1变频节能 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 3.2功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 4变频器低电压穿越电源 4.1变频器低电压穿越电源装置构成 变频器低电压穿越电源拓扑。该设备的主功率输入为系统三相交流电源和直流保安电源，主功率输出包括一路三相交流电源和一路直流电源。其中直流保安电源输入为可选择项。 交流三相电源分为两路为变频器进行供电:一路为交流供电通路，可通过原有送电线路或设置旁路开关，将三相交流电直接送人变频器A/B/C三相交流输人端子;另一路为直流供电通路，三相交流电能经手动断路器QF1送人二极管整流桥TM1-3构成的整流回路，再经过电控开关KM1变换为直流电能并储存于电容C1和C2。电感L1与IGBT构成BOOST型式的升压斩波电路，可将C 1/C2上的直流电能变换为电压等级更高的直流电能储存于电容C3/C4，并经二极管防反回路和熔断器后，送人变频器的直流输人端子。电动开关KM1与电阻YR1构成预充电回路，当预充电结束之后闭合KM1，实现在装置初始上电时为电容C 1/C2/C3/C4的平稳充电功能。 直流保安电源输人为可选择项。直流保安电源并联于C1/C2的直流母线处，当系统电压低于20%时，由保安电源为后续升压回路供电，从而保证装置在0}100%的全电压范围内均可保证变频器的稳定运行。 在现场改造施工中，变频器低电压穿越电源串接在系统三相380 V电源与变频器之间，无需对变频器的配置、设置做任何改动，并可利用现场已铺设的电缆，无需新增任何电力线缆。 4.2变频器低电压穿越电源装置工作原理 变频器低电压穿越电源装置的控制目标为在系统电压跌落时保证变频器及其拖动电机系统的转速、功率、转矩不变。其工作原理介绍如下。 装置挂网运行时，断路器QF 1 r-J电动开关KM 1均处于闭合状态。在系统电压正常的状态下，电能通过交流送电回路送人变频器交流输人端子，装置中的电力电子器件均处于旁路状态，不参与装置运行。在系统电压发生跌落，进而造成C 1/C2上整流得到的直流电压跌落时，装置内置的控制系统实时监测到此电压跌落趋势，将电感L1与IGBT构成的BOOST斩波升压回路快速投人运行，保证在A/B/C三相电压跌落期间，C3/C4上的直流电压被举高，维持到可保证变频器输出功率、电机转矩、电机转速均不变的电压水平。在系统电压跌落结束，系统电压恢复正常后，IGBT停止运行，BOOST回路退出工作状态，变频器的供电仍由三相交流送电回路提供。装置中，交流送电通道与直流送电通道的切换由电力电子器件(SCR)完成，切换动作时间小于lms，为无缝切换，对变频器的稳定运行不会造成冲击。 4.3变频器低电压穿越电源的特点 1)更高的安全可靠性。保留原有送电线路或设置旁路开关作为旁路电路，在系统电压正常的情况下，装置工作于旁路模式，变频器由电力系统直接供电，电源变换模块部分处于休眠状态，不参与装置运行。由此降低装置中电力电子器件投人使用的工作时间，从而降低故障概率。2)高效的定期自检与故障自诊断，免维护应用。装置采用免维护设计，其使用过程中无需工作人员对其进行任何操作和维护。该装置集成定期自检功能，对于自检中发现的问题，具备强大的故障自诊断功能，并可将故障诊断结果通过硬接点、通讯等多种方式送至后台管理系统，方便故障的统计与记录。3)宽温度范围，长运行寿命。核心部件为目前世界上最先进的第五代IGBT，其耐受能力达到巧。
低电压穿越控制方案 低电压穿越功能是通过变流器的有源crowbar来实现的，当变频器检测到电网电压下降时，根据直流母线的电压来控制Crowbar部件的动作，泄放转子上的能量来抑制转子电压的升高，但会引起电网电压模块和变桨系统模块报故障。并且由于转矩突降为零左右，进而会引起发电机的转速超速等问题，下面就上述问题的分析和处理过程进行相应阐述。 一、主控和变流器的软件修改 为保证风机在低压穿越状态下保持并网运行，需要对主控系统和变流器参数进行如下修改。电压跌落至低电压穿越区时，变流器参数9.10的BIT10 (converter_low_voltage_for_ride_through)置位作为低电压区的触发条件，对电网电压和变桨故障进行相关逻辑处理，电网电压跌落至低电压穿越区以下时变流器本身报直流过压和转子侧变流器过流。 1.主控程序grid_voltage模块 现风机的主控检测当电网电压低于额定电压的90%延时100ms滞后，风机将脱网停机，为保证对低压穿越状态下风机能并网运行，需要对电压保护限值进行修改。编程思路为： 当电网电压正常时，保持原检测模式不变，把低电压穿越过程分为三个阶段： 从电压降至低于90%额定电压开始640ms内电压不低于20%额定电压80v，电压检测模块不报故障； 从低压穿越过程开始的第640ms至3s电压升至90%额定电压360v，电压检测模块不报故障； 3s后低电压穿越完成，电压应保持在90%额定电压以上 在低压穿越过程的上述三个阶段中，如检测电网电压低于允许的最低电压限值，则报error_grid_voltage_limit_min故障，主控系统中对电网电压检测超下限报程序需作如下修改： 变流器的状态字converter_com.converter_low_voltage_for_ride_through赋值给low_voltage_for_ride_through并把它定义为全局变量。
电网正常条件下双馈风力发电变换器的控制技术 DFIG变速恒频运行，通过控制转子侧和网侧变换器来实现有功、无功功率的独立调节。转子侧变换器的主要作用是为转子提供励磁电流，而励磁电流可以分为励磁分量和转矩分量两部分。其中调节励磁电流分量可调节定子侧所发出的无功功率，调节转矩电流分量控制电磁转矩，进而控制定子侧所发出的有功功率，使风力机运行在最佳功率曲线上，实现最大风能捕获。风速的变化会引起双馈发电机运行状态的变化，进而导致直流侧电流的变化，从而引起直流侧电压的变化。直流侧电压的变化会引起整个风力发电系统的性能恶化，所以网侧变换器的主要控制目标就是保持直流侧电压恒定而不受上述因素的影响，同时又可以控制功率因数。网侧变换器的另一任务是保证其良好的输入特性，即输入电流波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求，理论上可获得任意可调的功率因数，为整个风电系统的功率因数控制提供了另一种方法。 双馈风力发电系统是一个多变量、时变、强耦合的高阶非线性系统，其运行控制复杂。目前对于理想电网电压条件下DFIG风力发电机系统、包括网侧、转子侧变换器的控制策略业已进行了大量的研究工作错误!未找到引用源。]。如经典的矢量控制(Vector Control-VC)和直接转矩控制(Direct Torque Control-DTC)在DFIG风电机组得到广泛应用。矢量控制根据定向方式的不同又可分为电压定向(SVO-VC)和磁链定向(SFO-VC)。而针对网侧变换器而言，变换器的控制就可以分为基于电网电压定的矢量控制(VOC)和直接功率控制(VDPC)以及基于虚拟磁链定向的矢量控制(VFOC)和直接功率(VFDPC)控制四种。 1 矢量控制 由于DFIG是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流异步电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，即磁通和转矩之间的解耦，将整个系统分解为两个独立控制的子系统。实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的提高和改善。因此，对双馈电机而言，采用矢量控制是极具有吸引力的，无论双馈电机是作为电动机运行还是作为发电机运行，根据不同的控制目标，可以实现速度和定子无功功率（或磁通）的解耦控制或者定子端口无功功率和有功功率的解耦控制。其控制方程为：