华北电力大学 电气与电子工程学院在读硕士研究生 北京市 100000
摘要：为提升电网对风电的接纳能力、规范风电机组并网运行方式，世界各国纷纷制定出台了相应的风电并网接入导则，对风电机组运行的安全性、稳定性提出了严格要求，本文对故障电网下双馈风电系统运行技术进行了分析探讨。
关键词：双馈感应风力发电机；故障电网；技术
一、双馈发电机模型
双馈发电机的三相坐标系下，磁路及功率都会存在耦合，因此需要利用dq坐标系下的矢量控制进行解耦。对双馈发电机dq坐标下的数学模型研究对变流器控制有重要意义，经过Park变换直接给出电机模型：
式中Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ωe为同步转速，ωs为同步转速与转子转速差，Ψ为磁通量，U为电压，i为电流，下标rd，rq，sd，sq分别表示转子d，q轴和定子d，q轴，pn为极对数。
二、双馈风电变流器运行技术关注焦点
1、不脱网运行技术
早期的风电并网规范对风电机组故障穿越运行能力的考察集中在低电压穿越（low voltage ridethrough，LVRT）方面。从电压骤降幅度、并网运行时间两方面来看，英国、美国分别要求风电机组能够在并网点电压跌落至15%额定值时持续并网运行140 ms和625 ms不脱网，而澳大利亚要求在电压跌落为零的条件下持续运行120 ms不脱网，即实现零电压穿越（zero voltage ride through，ZVRT）[7]。我国要求风电机组在20%的机端电压条件下不脱网连续运行至少625 ms，可见我国的风电并网规范要求相对保守。与电压骤降相对应，电压骤升也是一种常见的电网故障。在2011年2月甘肃酒泉风机脱网事故中，由于局部无功过剩致使电压骤升，进而导致54%的风机出现过电压保护而脱网[8-10]。目前，澳大利亚、丹麦等国已将高电压穿越（high voltageride through，HVRT）要求写入并网规范。表1给出了不同国家低电压与高电压故障穿越规范要求的技术指标，这也是风电并网规范对并网风力发电机组的最基本要求。
在实际电网中，常有大功率设备启动、电网短路故障等发生，这些因素造成了电压短时骤降这类最常见的电网故障。文献[11-12]指出，双馈风力发电机转子过电压峰值常在电压骤变后第一个周期内出现，其峰值大小由转子电压稳态分量和直流暂态分量之间的相位决定，当二者相叠加时最大，而相抵消时最小；短路电流则由与电压骤变幅度成正比的暂态分量和与其成反比的稳态分量构成，与故障类型、故障点位置以及控制系统等因素密切相关。此外，电压骤升作为另一种常见的电网故障，时常发生在电网故障切除、局部无功过剩的情况下。在电压骤升条件下也会出现直流侧过压现象，但与电压骤降时因发电机电流冲击而产生的机理不同，电压骤升时的直流侧过压主要是由于这种故障下网侧变换器的Boost升压电路工作条件难以满足所引起的。电网电压骤升也会引起剧烈的转子电流过渡过程；同时，由于工作点实际电压的抬升，电机磁路会出现饱和、励磁电感下降等负面效应，进而加剧电流冲击。这些双馈变流器不脱网运行能力的研究为深入探讨双馈发电机暂态特性提供了重要信息，并为分析和确定双馈变流器安全运行区域提供了参考依据，进而为设计科学合理的LVRT与HVRT相互衔接、相互配合的有效控制方案奠定基础
2、友好并网技术
在实际电网中，由于电网的单相、两相接地故障、相间短路、单相供电电气化铁路的运行、拖动变流器的不控整流方式等因素，均会造成三相电压不平衡以及低次谐波畸变，因此我国风电标准要求风电机组能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的电压谐波畸变率。然而，双馈风电系统作为独立发电单元，需确保高品质电能质量输出。根据GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》要求：正常运行时，其电压偏差应在标称电压的3%~7%范围内；公共连接点注入电流谐波应满足GB/T 14549-1993的要求。在负序以及谐波电压扰动的条件下，双馈风电系统输出电流存在明显的不平衡以及谐波畸变，并且较大的不平衡电流可能会导致电压偏差超出指定范围，同时严重谐波畸变的电流也无法满足并网规范对于谐波注入电流的要求。网侧变流器在实现直流侧电压稳定、单位功率因数运行外，还能向电网提供无功补偿、谐波抑制等一系列辅助服务功能。其中，通过调节网侧变流器输出无功电流，实现对并网点负序电压的抑制，可降低其电压偏差以满足并网规范的技术要求。通过对网侧变流器控制实现有源滤波器的辅助功能，可确保双馈风电系统高正弦度电流输出，以满足并网规范对于注入电流谐波的要求。因此，充分利用网侧变流器辅助服务功能，可最大限度提升双馈风电系统输出特性，以满足风电并网规范的技术要求。
同时，为确保长期稳定的并网发电运行，双馈风电系统还需在不平衡、谐波电网下确保自身机械、电气设备长期使用的可靠性。文献[16-17]指出在正序、负序以及谐波电压、电流的相互作用下，会造成严重的转矩脉动，加剧双馈发电系统齿轮箱以及传动轴系的疲劳，甚至引起机舱和塔筒的振荡，同时所引起的直流电压的剧烈波动使电容温度上升、电解液挥发，造成电解电容性能降低与使用寿命缩短等负面效应。文献[16]将转子侧直流电流前馈到有功轴电流环路共同构成有功电流指令，以降低电容电压波动。在电流闭环回路构造了带通滤波器和超前–滞后调节器前馈回路，以消除转矩脉动。尽管风电并网规范并未对此提出相应的技术考核指标，然而从提高风电机组机械、电气设备的可靠性以及延长风电变流设备使用寿命的角度考虑，降低转矩脉动、稳定电容电压也是十分必要的。
因此，具有友好并网运行技术的双馈风电系统应具备可调控负序以及谐波电流，实现并网点电能质量的统一控制的能力，也可降低电机转矩脉动、稳定电容电压，以提高机械、电气设备的可靠性，这也是双馈风电技术的研究方向之一。
结束语
总体来看，随着风力发电接入电力系统比例的不断增加，风电将成为未来电网中的重要电源，此时更要求其具有提供必要的辅助服务功能，使之从纯自身保护的无源受端系统逐渐转变为具有电网辅助服务功能的有源送端系统。
参考文献：
[1]孔祥平.含分布式电源的电网故障分析方法与保护原理研究[D].华中科技大学，2014.
[2]凌禹.大型双馈风电机组故障穿越关键技术研究[D].上海交通大学，2014.
[3]徐海亮.双馈风电变流器的谐振控制技术研究[D].浙江大学，2014.
[4]刘晋.双馈风力发电系统控制策略研究[D].华北电力大学，2014.
论文作者:杜慧成
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/23
标签：电压论文; 风电论文; 电网论文; 电流论文; 变流器论文; 谐波论文; 故障论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;