风力发电机组高电压穿越技术研究

马伟娜，姚万业，白恺

（1. 华北电力大学，河北 保定 071003；2. 华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045）

有报告预测到2020年全球能源消耗将比现在增长19%，但国内常规能源的生产能力将在那时达到极限，之后新增的能源需求可能都将依靠替代能源或进口能源解决。风力发电作为新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，在能源开发中占有不可替代的作用。经初步统计，截止2013年12月31日，全国风电累计核准容量13 425万kW，其中并网容量7 758万kW，全年风电年上网电量为1 371亿kW，同比增长36%，其发展迅速，势头强劲[1-3]。

随着风力发电机组单机容量及风电场规模的不断扩大，当电网出现故障时，若风力发电机组与电网解列，而不能像常规能源发电那样在电网故障情况下对电网提供频率及电压的支撑，进而可能会导致严重的连锁反应，并对电网的稳定运行造成严重影响。目前国内外研究重点在于电网电压跌落对风电机组的动态影响分析及相应的低电压穿越技术，电网电压骤升对风电机组的动态影响分析及相应的高电压穿越技术研究并不成熟。只有部分国家或电网公司制定了风力发电机组高电压穿越标准，而目前我国尚未制定明确的风机高电压穿越标准和具体技术指标。

随着风电穿透率的不断提高，电网对风电场并网要求必须进一步规范，从而保障风电大规模接入条件下电网的安全稳定运行。因此，本文在分析风力发电机组故障脱网情况基础上理解风力发电机组高电压穿越概念，同时在对比分析国内外高电压穿越技术指标的基础上，将已有的风力发电机组高电压穿越技术进行总结，为将来风机高穿特性的全面实现提供参考。

1 风力发电机组故障脱网分析

据统计，甘肃酒泉地区2011年2月24日、2011年4月3日、2011年4月17日3次风机大规模风机脱网原因相似，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。2011年，发生在河北张家口的大规模脱网事故主要是由于相间短路故障引起。短路故障时，风机机端电压降低，部分机组因不具备低电压穿越能力而脱网，外送功率减小，同时因网内无功补偿装置调节速度不满足要求，造成局部无功过剩，电压升高，部分机组因高电压脱网。以上故障脱网事件具有典型的“低电压+高电压”脱网特点，但并不是所有的脱网事件都是如此。2012年5月14日河北张家口某风电场故障脱网就是一次仅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[4-6]。

通过以上分析得出，电缆头故障、相间短路故障及较大容量电容器的投切等都有可能造成电网电压骤升，引起风机脱网。为保证风电大规模并网条件下电网的安全稳定运行，在风电机组低电压穿越改造完成之后，保证风电机组高电压不脱网将是未来风电运行管理的新要求。

相对于风力发电机组低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）的定义，研究人员提出了高电压穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）的概念，通过以上分析可以认为高电压穿越即当并网点的电压升高时，在一定的电压升高范围内风电机组/风电场能够保持不脱网连续运行。为了达到这一要求，不同国家和地区的电网公司制定出了一系列的风电机组高电压穿越技术指标，对风电并网要求进一步进行规范。

2 国内外风力发电机组高电压穿越技术要求

2.1 国外风力发电机组高电压穿越技术要求

国外对高电压穿越的研究较早，各个国家和地区电网公司针对电网实际情况，制定各自的风电并网技术要求，其中部分技术指标中不仅规定了高电压穿越幅值和时间范围，还规定了风电机组在高电压穿越期间提供支撑电网恢复电压的无功电流幅值及无功支撑能力。国外部分电网公司对风电机组高电压穿越能力要求汇总曲线[7]见图1。

图1 部分国家高电压穿越要求Fig. 1 High voltage ride through requirements in some countries

部分标准规定依电压等级不同风电机组高电压不脱网运行时间限制也不相同，部分风电机组高电压穿越技术指标汇总情况见表1。

表1 高电压穿越要求总结Tab. 1 Summary of HVRT requirements

德国意昂集团（E.ON）制定的风电并网准则[8]对风电机组的HVRT能力的要求不仅确定了最高电压界限，还要求风电机组必须在电网电压骤升期间吸收一定量的无功功率，且无功电流与电网电压的变化率之比为2∶1。另外，不同于其他技术指标，西班牙并网规定中对于风电机组高电压穿越技术指标适用的不同风机故障类型做出了相应的限定。西班牙故障要求见图2，其中图中的阴影部分为安全裕度的范围，风力机不允许从电网中切除。

图2 西班牙故障穿越要求Fig. 2 FRT requirements in Spain

风电机组高电压穿越标准都是在综合考虑风电机组容量、输电线路耐压能力等各种因素基础上制定的，其中WECC风电机组高电压穿越标准的制定还参考了多次电网电压骤升实验结果。电压骤升实验曲线如图3所示。

图3 电压骤升曲线图Fig. 3 Voltage swells curves

WECC综合以上曲线得出，故障造成的电压骤升一般不会超过电网电压额定值的120%，同时考虑风机等相关设备因耐压能力提高成本随之增加等因素，确定风电机组不脱网运行最高电压界限为电网额定电压的120%。

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2.2 国内风力发电机组高电压穿越技术要求

国内随着风电并网规模不断扩大、风电机组低电压穿越改造逐步推进，风电机组高电压脱网问题逐渐成为影响电网安全稳定运行的重要问题。为保证电网安全稳定运行，国家电网公司逐步对风电机组的高电压穿越能力提出了相关要求。其中，国家电网调[2011]974号《关于引发风电并网运行反事故措施要点》中明确提出“风电机组应具有必要的高电压穿越能力”的要求，并提出“风电场无功动态调整的响应速度应与风电机组高电压穿越能力相匹配，确保在调节过程中风电机组不因高电压而脱网”。2012年新修订的《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》也指出“风电机组应具有规程规定的低电压穿越能力和必要的高电压耐受能力”。国家电网公司制定的最新企业标准Q/GDW 1878—2013《风电场无功配置与电压控制技术规定》中，提出风电机组高电压穿越技术指标应该满足表2的规定。

表2 高电压穿越技术指标Tab. 2 HVRT requirements

目前为止，国家电网公司和区域电网公司尚没有明确的高电压穿越技术指标，有关风电机组在高电压穿越期间提供支撑电网恢复电压的无功电流幅值及无功支撑能力的要求也没有提及。为了提升风电安全运行水平，需要重点研究风电机组高电压穿越问题，既不能为了“永远不会出现的高电压”而进行风机或风电场升级浪费资金，同时也要借鉴国外的技术指标，结合中国“风电集中并网”的能源布局特色，制定出切实可行的技术指标。

3 风力发电机组的暂态过程分析

当电网发生故障导致并网点电压大幅度骤升时，若按照并网要求保持风电机组不间断并网运行将对风电机组自身造成损害，进而引起风电机组脱网，电网安全运行受到威胁。为了保证风电机组安全稳定不脱网运行，需要分析电网电压骤升时风力发电机组的暂态运行过程，这同时也是研究HVRT技术的前提。结合目前主流的双馈型风力发电机组（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）和直驱型风力发电机组（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）分析电网电压骤升下的暂态过程[9-11]。

DFIG定子侧与电网直接连接，电网电压骤升会引起双馈电机定子和转子磁链的变化，由于磁链守恒不能突变，定子和转子绕组中会出现暂态直流分量，不对称故障时还会有负序分量，由暂态电流产生的磁链来抵消定子电压骤升产生的磁链变化。因感应电机的转子高速旋转，直流暂态分量将会导致定转子电路中感应电压和电流的升高，严重时会超过电力电子器件和电机的安全限定值，造成设备的损坏；同时暂态过程会造成DFIG电磁转矩的波动，这将给齿轮箱造成机械冲击，影响风电系统的寿命。

PMSG通过变流装置与电网连接，网侧的变化不会直接影响到永磁电机，因此PMSG在实现HVRT上具有明显的优势。当电网电压骤升时，因变流器功率限制，网侧变流器的输出电流会减小，功率不平衡造成电网多余的能量通过网侧对直流母线电容充电，引起直流母线电压的上升；不对称骤升时，还会引起直流侧的2倍频波动，不仅威胁到变流器、电容器件的安全，也会影响输出电能的质量。综上可得，研究高电压穿越技术需解决暂态过程中出现的过压、直流母线电压波动、网侧电流畸变等问题，以保证故障穿越期间风电系统的安全运行；同时向电网提供一定量的感性无功，以促进电网电压的恢复。

4 风力发电机组的高电压穿越技术

总结风电机组高电压穿越技术研究现状，根据是否增加额外的硬件设备，可以分为基于硬件设备的风电机组高电压穿越技术和基于控制算法的风电机组高电压穿越技术。

4.1 基于硬件设备的风电机组高电压穿越技术

4.1.1 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DC Chopper组件。在系统电压升高过程中DC Chopper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[12-14]。直驱型风力发电机组高电压穿越方案如图4所示。

4.1.2 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。动态电压恢复器控制结构如图5所示。

图4 直驱机组高电压穿越方案Fig. 4 Schematic of HVRT for PMSG

图5 动态电压恢复器控制结构图Fig. 5 Control structure of the DVR

4.1.3 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DFIG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[15-17]。DFIG转子侧等效电路如图6所示。

图6 DFIG转子侧等效电路Fig. 6 DFIG rotor equivalent circuit with protections

4.2 基于控制算法的风电机组高电压穿越技术

4.2.1 多种控制策略相互转换

从分析电网电压骤升故障下的双馈风电机组（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）网侧和转子侧变流器的有功功率、无功功率约束关系入手，讨论期间两变流器功率适配原则基础上，提出一种基于机组动态无功支持的高电压穿越控制方案。此高电压穿越方案是根据风电机组运行状态的不同及时转换机侧、网侧控制方式，来提高风电机组的动态无功支持能力，实现电网电压骤升情况下风电机组不脱网运行。具体转换方式如图7所示。同时为抑制电压骤变瞬间可能出现的母线电压泵升，直流母线上并联直流卸荷Chopper电路，可在母线电压高于其最大可连续操作电压时触发导通，从而确保直流环节的安全[18-19]。

图7 高电压穿越控制策略Fig. 7 HVRT control strategy

4.2.2 在发电机转子侧增加虚拟阻尼

在发电机转子串联电阻的方案基础上，提出变阻尼的改进控制方案，从而在抑制电网电压骤升下转子过电压的同时，最大限度地抑制转子过电流。此控制策略即考虑采用控制算法来模拟动态电阻，减小了HVRT过程中电磁转矩的振荡对系统的影响，减少了撬棒动作及其不利影响，有效提高了双馈型风力发电机组的HVRT控制性能，为大功率双馈型风力发电机组的HVRT技术研究提供了参考。基于虚拟电阻的DFIG有源控制策略结构图如图8所示。

5 结语

图8 基于虚拟电阻的DFIG有源控制策略结构图Fig. 8 Block diagram of the DFIG active control based on the virtual resistor

风力发电机组高电压穿越特性的实现，不仅能够保障电力系统的安全稳定运行，促进风电与电网的和谐发展，更将有利于我国掌握风电控制的核心竞争力，推动我国风电技术研究占据世界制高点。因此，高电压穿越技术的研究将是风电领域研究重点之一，同时高电压穿越能力也将成为未来风电并网规范之一。

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