双馈风电机组高电压穿越控制策略与试验研究-北极星风力发电网

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1、研究意义

高比例风电的并网运行给电力系统的安全稳定带来了巨大的挑战，世界主要风电发达国家与地区均通过并网导则对风电的并网行为进行了规范，特别是风电的故障穿越(Fault Ride Through，FRT)能力，其包括低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)和高电压穿越(High Voltage Ride Through, HVRT)。经过持续的理论研究和工程实践，低电压穿越问题基本得以解决，但风电高电压穿越问题未受到应有的重视。

HVRT是对并网风电机组在电网出现短时过电压时仍保持并网运行的一种特定的运行功能的要求。澳大利亚率先制定真正意义上的并网风电机组高电压穿越要求：当高压侧电网电压骤升至130%Un时，风电机组应能维持60 ms连续运行不脱网，并提供足够大的故障恢复电流;德国E.ON的风电并网准则要求在电网电压升至120%Un时风电机组能够保持长期不脱网运行。各并网导则所提出的HVRT要求不尽相同，但所规定的高电压最高电压幅值为130%Un。目前我国尚无真正意义上的风电高电压穿越标准，相关技术要求与标准正在研究制定中。

本文针对风电的高电压脱网问题，对比分析了双馈风电机组低电压和高电压的电磁暂态特性，论证了双馈风电机组130%Un高电压穿越过程全程可控的可行性。提出了一种基于双馈变流器动态无功控制的高电压穿越控制策略和风电机组主控系统与变流器协同控制完成高电压穿越的实现方法，避免了Crowbar或Chopper保护动作对高电压穿越特性的不利影响。通过仿真分析与现场试验证明了理论分析与控制策略的正确性及有效性，为风电机组高电压穿越提供了一种基于纯软件控制的解决方案。

2、双馈风电机组电压突变暂态分析

双馈发电机电网电压突变引起的双馈发电机转子开路电压瞬时值主要由两部分组成，第一部分是由电网电压突变后的稳态值与转差率决定的稳态分量，频率为双馈发电机转差频率;第二分部则是由电网电压突变量与转差率决定的暂态衰减分量，频率为发电机转子旋转频率。

130%Un高电压与70%Un低电压时转子暂态电压最大值及变化过程基本相同。电网电压突变所引起的转子暂态电压极值主要由暂态衰减分量决定，稳态值则由电压突变后的电网电压稳定值决定，转子电压稳态值130%Un高电压略大于70%Un低电压。双馈风电机组转子Crowbar保护主要由转子暂态最大值决定，按照风电机组低电压穿越Crowbar保护触发设计原则与实测结果，70%Un的低电压通常不会引起转子Crowbar保护动作，双馈风电机组在70%Un低电压穿越的整个过程处于可控状态。

依据现有风电低电压穿越与高电压穿越技术标准，低电压要求最低电压为20%Un，高电压要求最高电压为130%Un，低电压电压变化幅度大(ΔU≤0.8Un)，高电压电压变化幅度小(ΔU≤0.3Un)，130%Un的高电压所引起的暂态能量仅仅相当于70%Un的低电压。因此，130%Un的高电压在双馈发电机中感应出的暂态过电压、过电流不足以触发双馈发电机转子Crowbar保护动作，双馈风电机组在整个高电压穿越过程中均能可控运行。同理可得，130%Un高电压穿越期间直流侧直流卸荷电路(Chopper)保护也无需动作。

3、双馈风电机组高电压穿越控制策略

电网高电压期间，可通过变流器控制吸收感性无功功率。一方面，为电网提供感性无功电流支撑，支持电网电压恢复;另一方面，利用电网侧等效电感的分压作用，减小变流器直流侧、功率器件所承受的电压，避免硬件保护动作。由此可知，电网高电压期间双馈风电机组网侧变流器根据转速不同需工作在从电网吸收有功和感性无功功率的整流状态，或在向电网传输有功和从电网吸收感性无功功率的逆变状态。转子侧变流器需工作在向电网传输有功和从电网吸收感性无功功率的逆变状态，即转子侧变流器通过发电机控制向电网传输有功和并网导则要求的感性无功功率。即电网高电压期间，可通过控制电网侧等效电感上的电压矢量，使得风机变流器直流侧、功率器件所承受的电压远小于电网电压。若并网导则对无功补偿量无要求，可在保证有功输出不变的情况下，依据变流器电流约束最大限度的输出感性无功功率。依据现有风电机组发电机、滤波电路及升压变压器参数，电网侧等效电感上可分得0~10%的并网点电压，可保证高电压期间变流器直流侧及功率器件的安全。

风电机组实现故障穿越需主控系统与变流器的协同配合，高电压穿越期间主控系统与变流器的系统控制和低电压穿越基本相同。主控系统在收到变流器给出的电网电压升高故障信号后，主控系统需屏蔽部分与高电压穿越相关的故障(如：电网电压高、变流器输出功率偏离指令值等保护信号)，让出主控系统功率控制权，并设置合理的电网高电压穿越保护曲线，高电压穿越期间风电机组输出有功、无功功率由变流器控制决定，收到变流器给出的电网电压恢复信号后，主控系统恢复之前屏蔽的故障或告警信号，恢复对风电机组功率的控制权，风电机组正常运行发电。

4、系统仿真与现场试验

1、系统仿真

在MATLAB/Simulink中建立了2 MW双馈风电机组电磁暂态仿真模型，仿真研究风电机组高电压穿越的全过程。图1为双馈风电机组高电压穿越全过程仿真波形图，图1(a)~(f)分别为风电机组并网点三相电压瞬时值、风电机组有功功率、无功功率、双馈发电机电磁转矩、变流器直流母线电压和Crowbar保护电路触发信号。

图1 双馈风电机组高电压穿越过程仿真波形图

2、现场实验

风电机组高电压现场试验原理图如图2所示，将电网高电压发生装置串联于风电机组升压变压器高压侧与35 kV电网之间，电网高电压发生装置在并网点模拟发生电网高电压，通过调整高电压发生装置限流阻抗与短路容抗的参数，调节模拟不同的电网高电压。图3为双馈风电机组高电压穿越现场试验波形图，图3(a)~(c)分别为风电机组并网点三相电压、输出功率和双馈变流器直流母线电压波形图。

图2 风电机组高电压穿越现场试验原理图

图3 双馈风电机组高电压穿越试验波形图

5、结论与展望

1)双馈风电机组130%Un的高电压所引起的暂态能量仅仅相当于70%Un的低电压，130%Un的高电压在双馈发电机中感应出的暂态过电压、过电流不足以触发双馈发电机转子Crowbar(或直流侧Chopper)保护动作，双馈风电机组在小于等于130%Un的高电压穿越过程中全程均能可控运行。

2)风电机组高电压穿越主要依靠变流器动态无功控制与主控系统协调控制完成。转子侧变流器通过发电机控制向电网传输有功和感性无功功率，网侧变流器通过无功电流控制向电网传输感性无功功率，利用风电机组与电网连接阻抗形成的正向电压降，降低高电压期间变流器直流侧及功率器件所承受的最高电压，从而实现风电机组高电压穿越;主控系统主要进行运行状态监测及保护。

3)本文所提控制策略适用于双馈风电机组高电压穿越控制，而全功率变流型风电机组与电网间通过LC/LCL滤波电路连接，其与电网的等效阻抗通常小于双馈风电机组，其是否能够仅由软件控制实现130%Un的高电压穿越尚有待进一步研究。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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