摘要：随着风电机组并网比例的增加，尤其是电网相对薄弱的地区，风机在电网故障时刻的稳定性成为局部电网能否快速恢复的关键，而现今低电压穿越技术（LVRT）被广泛关注并应用，而高电压穿越（HVRT）还未引起足够重视，随着风电进一步发展，电网公司必然会完善入网导则，增加对风电机组高电压穿越的要求。本文首先对高电压穿越现有要求进行描述，然后基于双馈机组原理给出相应的硬件技术方案，并分析该技术方案的经济性和可行性。
关键词：双馈、HVRT、高电压穿越、DC chopper
1 引言
近年来由于风电比例大幅提高，风电机组的故障穿越能力越来越受到国内外电网公司的重视。而我国发生的几次大规模的风机脱网事故也表明，在电网低电压穿越恢复阶段，由于大量无功发生装置的作用导致在高压侧可能会发生过电压，而且风场负载的突减、大容量电容器的投入也均会引起电网电压的骤升，从而导致风机大面积脱网。为了提高电网运行的稳定性，高电压穿越导则迫在眉睫，国内现在还没有具体的施行标准，但借鉴国外经验此导则典型的制定原则包括：①发电厂须在该电压边界内不发生脱网；②在该电压边界范围内发电厂不应对电网系统电压维持能力有不利影响；③要求风电厂附加动态无功补偿设备。
2 HVRT要求及技术规范
为应对未来可能出现的高电压穿越事故，现在电网研究院已经制定了一份初步的高电压穿越技术标准，其电压标幺值包络线如图1，其具体要求如下。
（1）在测试点电压为130%额定电压时能够保证不脱网连续运行200ms；
（2）在测试点电压为125%额定电压时能够保证不脱网连续运行1000ms；
（3）在测试点电压为120%额定电压时能够保证不脱网连续运行2000ms；
（4）在测试点电压为115%额定电压时能够保证不脱网连续运行10s；
（5）在测试点电压为110%额定电压时能够保证不脱网连续运行的能力。
图1 风电机组高电压测试包络线
3 高电压对双馈机组影响
3.1 高电压穿越与低电压穿越的区别
对于双馈机组来说，在电网发生高低电压故障时，最直接的表现就是变频器的直流侧电压骤升 ，然而两种不同的电网故障导致直流电压抬升的机理是不同的。电网电压跌落会引起发电机转子侧电流骤升，从而导致直流母线电压抬升，而高电压故障最直接的影响就是电流从网侧变频器倒灌入直流母线，从而导致直流母线抬升。从故障逻辑来说，低电压故障的影响和控制难度是要大于高电压故障的，所以在风机进行低电压穿越改造时可一并实现高电压穿越。
3.2 高电压对双馈机组的破坏机理
对于发电机定子直接接入电网的双馈机组来说，因为发电机的本身的过载能力很强，所以短时过电压不会对发电机造成大的损伤。而发电机转子是通过变频器接入电网，如果没有额外的措施，高电压会直接导致变频器直流电压抬升，从而可能损坏直流侧的IGBT及电容模块。
我国风电机组机端电压为690V，而变频器的IGBT的直流耐压一般在1200V，假设机端电压短时达到1.2倍的额定电压，直流侧电压在不经过斩波升压便可升高到1200V左右，此种情况对变频器的运行非常不利，极有可能导致IGBT损坏，所以现有机组一般只能满足高电压故障在1.1倍的额定电压以内，而且设计不同，实际的延时保护时间也不同。
4 提高双馈机组HVRT技术措施
主流的双馈风机因低电压穿越要求均配备了发电机转子侧的crowbar电路，可以在低电压跌落来临时，将转子侧产生的大电流通过控制crowbar IGBT释放到功率电阻上，从而保护机侧变频单元及稳定直流电压。而当高电压故障来临时，其影响的原理并非转子侧过电流，而是因为机端电压的抬升会导致电网能量向变频倒灌，从而瞬时抬升直流电压，此时即使crowbar动作，由于转子侧IGBT的隔离作用，对直流电压的控制显然也是不足的。
为了应对高电压对变频器直流母线的影响，应该添加另一设备Chopper电路，其结构如图2，其动作机理是在监控到直流电压超过限定值后，导通Chopper电路的IGBT，将多余的能量释放到功率电阻上从而稳定直流电压，保证机组实现高电压穿越功能。
图2 双馈变频的DC Chopper电路
5 总结
对于主流风机厂家来说，无论是满足LVRT还是HVRT，无疑会增加机组成本及设备风险，所以需要综合考虑成本及技术可行性，而且风电场也可考虑在场站入口增加稳定电压设备（例如SVC、STATCOM），从而最大化减少实际线路故障对场内电压水平的影响。无论如何，未来随着风电机组占比进一步加大，电网运营单位对风电场及机组会提出更多的要求，高电压穿越功能必然会成为入网导则之一。
参考文献:
[1] 谢震，张兴. 电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略[J].电力系统自动化.2012(3):39-46
[2] 刘雪菁，朱丹，宋飞等. 风电机组高电压穿越技术研究. 可再生能源，2003，31（11）:34-36.
[3] 李建林. 风力发电低电压运行技术[M]. 机械工业出版社. 北京. 2008
论文作者:侯鹏飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
标签：电压论文; 电网论文; 机组论文; 故障论文; 风电论文; 变频器论文; 转子论文; 《电力设备》2018年第4期论文;