风力发电机组高电压穿越技术研究陈磊

风力发电机组高电压穿越技术研究陈磊

陈磊

（山西大唐国际新能源有限公司山西太原030000）

摘要：近年风力发电技术在全世界的范围内得到了巨大发展，随着风电装机总量的逐年攀升，风电接入电网后与电网之间的相互影响，已经不能忽略，并且风电系统在电网在故障情况下的运行控制方式将会直接影响到电网的安全稳定运行。目前，相关研究主要集中于风电机组在故障条件下的运行特性及低电压穿越技术。然而，在风力发电机组实际运行中，风电机组脱网运行有一半是由于风电机组不具备低电压穿越技术导致的，剩余的则是由于不具备高电压穿越技术导致的。与低电压穿越标准相对应，世界不少国家风电并网标准中要求风电机组具备一定的高电压穿越能力，因此对风力发电机组高电压穿越的研究成为了热点。

关键词：电网故障；风力发电机组；高电压穿越技术

1高电压穿越

高电压穿越，一般是指当电压超过额定电压某一值时，挂网设备能够不脱网运行，并提供相应的故障恢复电流。与其相类似的是低电压穿越，目前低电压穿越已经有国标，但是高电压穿越目前尚无国家规定标准。

2风力发电机组故障脱网

随着风电装机的迅速增加，风电大规模集中接入地区风机大面积脱网问题逐渐暴露。据统计，某地区同一年发生3次风机大规模风机脱网，其原因相似，都是电缆头故障引起的电网电压跌落，引起部分风机脱网，损失部分出力，同时造成风机、主变压器及箱式变压器等吸收无功能力下降，网内无功补偿装置调节速度较慢，致使电网电压升高超过风机保护值而造成第二批风机脱网。另外，某风电场故障脱网出现高电压脱网的事件，该事件是由风电场投入一组较大容量的电容器所引起的。由于该风电场接入地区短路电流较小，当风电场出力较大时，系统电压对无功的灵敏度较大，同时由于双馈风机的无功电压特性，使得当系统投入一组较大容量的电容器后，可能促使系统出现了高电压过程。由此事件得出，即使系统没有短路故障，在系统正常运行情况下，风电汇集地区系统也有可能出现高电压过程。

3风电机组具备高电压穿越特性的必要性

风电机组具备一定的高电压穿越能力可以减少风电机组批量脱网规模，避免连锁反应式事故扩大的可能。这类必要性应以某电网发生的诸多批量脱网事故为例说明。当时，主变低压侧电缆头的短路事故直接引起了不具备低电压穿越能力的一批风电机组的批量脱网。紧接着，因为主变低压侧无功功率补偿设备不具备自投切功能，造成局部区域无功功率的过剩、电压骤升，进而导致了不具备一定高电压穿越能力的第二批风电机组的批量脱网。经当时的调查情况来看，第二批脱网的风电机组数量远远超过了第一批脱网的风电机组数量。其实，当时的最终后果不算极度恶劣，因为并没有引起电网频率的大幅下降，也没有引起附近区域其他风电场的低频保护跳闸；风电机组具备一定的高电压穿越能力是各国并网规程之要求。目前，在中国并没有明确的高电压穿越并网规程要求（只是一部分区域电网根据自身要求确定了各自的高电压保护整定值要求，但相关工作正在进行中。

4风力发电机组的高电压穿越技术

4.1增加硬件设备

（1）直流回路增加直流斩波耗能装置

为避免电网电压骤升造成直驱型风力发电机组直流侧过压、网侧变流器过流，提出在变流器直流回路增加DCChopper组件。在系统电压升高过程中DCChopper组件中电力电子元件IGBT以PWM斩波方式工作，对直流电压进行抑制，在一定程度上实现机组的高电压穿越。

（2）增加静止同步补偿器（STATCOM）或动态电压恢复器（DVR）

将静止同步补偿器（STATCOM）或动态电压恢复器（DVR）应用于电力系统有助于提高电力系统的稳定性，同样有助于降低电网故障对风电机组的影响。采用DVR方案时，通过补偿正常和故障情况下的电压差值，来维持发电机电网入线端的电压不变；而采用STATCOM方案时，主要是通过控制注入电网的无功电流迫使电网电压下降，这两种方案都在一定程度上提高了风电机组的高电压穿越能力。

（3）在转子侧变流器串联电阻

鉴于有限容量的转子侧变换器对双馈风力发电机只有部分控制作用，一般加装Crowbar装置来确保转子励磁变换器的安全，同时协助故障电网的恢复，但是在Crowbar装置投入时转子侧变流器停止工作，为了降低电网故障对电机转子的影响，提出在转子侧变流器串联电阻。不仅可以抑制转子过流，而且避免了机侧变流器在电网故障时因撬棒电阻的投入而失去对发电机的控制，并能够在故障期间持续对电网提供无功支持，减少转矩的脉动，实现高电压穿越。

4.2改进的励磁

（1）灵活可变的直流母线控制

相关资料提出一种新的直流母线电压控制策略，其直流环节电压参考值随着电网电压的变化而变化。该控制策略不仅能够保证直流母线的电压稳定，还能降低了故障期间电力电子器件的功率损耗。

（2）变流器吸收无功功率

考虑机组动态无功支持的高电压穿越控制方案中，综合考虑了转子侧变流器和网侧变流器的功率约束，并给出优化GSC、RSC有功、无功电流给定值的分配方案。

（3）改进电流控制

针对比例–积分（PI）控制器的不足，利用谐振控制器具备优良动态性能的特点，将其作为PI控制器的补充，从而弥补了传统PI控制器在动态响应上的不足，有效减小了故障期间转子电流的暂态冲击。故障模式下采用滞环控制器替代PI控制器以提高系统的动态响应速度。

（4）变阻尼和虚拟阻抗

通过在转子侧变流器的电流内环控制环节引入虚拟阻抗，从而能够有效的抑制电网电压骤升时转子电流、电磁转矩的振荡，提高了双馈型风力发电机组转子侧阻尼。随着虚拟电阻的增加，将致使转子电动势增加，同时也将影响到双馈风力发电机组的暂态响应过程。变阻尼控制策略显示，兼顾应对电网电压骤升时，转子电流和电磁转矩的冲击，以及转子电动势的增加。

5结束语

风电场装机容量的逐年增加，将会降低电网的安全稳定性，提高风电场在故障情况下高电压穿越能力显得尤为重要。目前，这方面研究尚处于初步阶段，并且主要针对风力发电机组，尚未涉及大规模风电场机组间的协调问题，距离风电场具备高电压穿越要求还远。因此，还需要继续开发风电机组的高电压穿越能力。

参考文献：

[1]试论风力发电机组控制方法改进策略研究[J].阿依古丽•买买提，张伟.电脑知识与技术.2014（06）

[2]基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策略［J］．谢震，张兴，杨淑英，等．中国电机工程学报，2012，32（27）

[3]大规模风电机组脱网原因分析及对策[J].何世恩，董新洲.电力系统保护与控制，2012（1）