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摘要：为保障风电大规模接入条件下电力系统的高效稳定运行，电网电压骤升对风力发电机组的影响分析及相应高电压穿越技术的研究逐步成为国内外研究热点。通过分析风力发电机组大规模脱网事件对高电压穿越概念进行理解，结合现行国内外高电压穿越标准及电压骤升下风机的暂态过程，介绍了实现电压穿越的不同技术方案，为风力发电机组高电压穿越技术的研究和应用提供参考。
关键词：风力发电机组；电压骤升；高电压穿越
前言：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。
1.风力发电机组故障脱网分析
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。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。由于相间短路故障引起。短路故障时，风机端电压降低，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。
2.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”。
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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。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。
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。
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。
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。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。
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。
5.结语
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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论文作者:宋国维1,刘涛1,张雅培1,陈博1,杨雅洁2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/4/11
标签：电压论文; 电网论文; 风电论文; 机组论文; 变流器论文; 转子论文; 故障论文; 《电力设备》2017年第29期论文;