双馈风电机组高电压穿越问题综述

张 虹，陈宇刚，战春雨，郑 江，贾 铮

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2.国网浙江缙云县供电公司，浙江金华321400)

当今全球化石燃料资源日益枯竭，而人类对能源需求量急剧增加，寻求绿色环保的可再生能源引起了各个国家的广泛关注。近年来，风力发电成为非石化能源中最为人们所接受的发电形式，其总装机发电容量逐年增加，然而大规模风电脱网事故时有发生。根据现代电网规范的要求，风电机组在电网故障期间应继续并网运行，以维持电网的稳定性，避免造成不可估量的经济损失。所以，电网故障穿越(GFRT)的研究越来越引起专家学者的广泛关注［1－8］。

虽然各个国家对风电机组GFRT的定义有所区别，但是其内容基本一致［9－10］，即当电力系统发生事故或有扰动使得接入电网点电压或频率超出标准运行范围时，在一定的电压或频率范围及其持续时间间隔内，风电机组能够按照标准要求继续并网运行，且平稳过渡到正常运行状态。目前，许多发达和发展中国家都对低电压穿越(LVRT)进行了研究，对于高电压穿越(HVRT)而言，相关的研究工作开展较晚。一些发达国家已经有明确的标准规定，最典型的要属澳大利亚和德国E.ON公司的标准，但中国还没有起草相关标准。因此，HVRT将会是未来一个时期内风电领域的研究热点，本文对现有的HVRT技术方案进行了综述。

1 HVRT概念及相关标准

高电压穿越是指当风力发电机并网点电压骤升时，风机能够继续保持并网运行，并提供足够大的故障恢复电流，从而“穿越”这期间的高电压。当前国际上尚未有统一的HVRT运行标准，澳大利亚、德国等国家已经陆续定量地制定了自己国家的风电场高电压穿越要求。

澳大利亚标准规定，当高压侧电网电压骤升至额定电压的130% 时，风电机组应持续并网运行60 ms，并提供足够大的故障恢复电流，经过900 ms后回到110%，保持不间断运行。而德国高电压穿越标准最大电压限制在120%，此时持续运行100 ms后便迅速回到110%。

世界各国HVRT的部分技术要求如表1所示，各个国家的标准都是根据本国家的电网结构以及新能源发电所占比重制定的。从要求风机承受电压骤升幅度的角度看，新西兰和北美Manitoba的标准比其他国家的标准更为严格;从要求风机保持并网运行时间的角度看，加拿大AESO和美国WECC的标准比其他国家的标准更为严格;从要求风机恢复不间断运行时间的角度看，德国E.ON的标准比其他国家的标准更为严格。尽管各个国家的标准有所区别，但是它们的一个共同点就是当电网电压骤升幅度在110%及以下时风电机组要保持不间断运行。目前，中国还没有制定相应的HVRT标准，相信在不久的将来也会制定符合自己的相关标准。

表1 世界各国HVRT技术要求Tab.1 World HVRT technical requirements

2 电网电压骤升下DFIG的暂态特性

高电压时风电机组脱网的主要原因是由于电力电子器件的引入及变流器和直流母线电容对过电压和过电流的承受能力有限造成的。因此，当电压骤升引起电压或电流过高时，风机出于自我保护自动脱离电网。双馈风机等效电路模型如图1所示。

定子和转子的电压、磁链方程为

式中:ω为电机旋转角速度;ωs为同步角速度;R为电阻;L为电感;Lm为互感;Ψ为磁链矢量;V为电压矢量;i为电流矢量;p为微分算子;下标r表示转子，s表示定子。

图1 双馈风机等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of doubly fed wind turbine

正常工作时，风电机组定子侧电压矢量的表达式为

不计及定子电阻时的定子磁链方程为

由于MW级DFIG的转子电阻和暂态电感都很小，风电机组转子侧电流对转子侧电压的影响很小，故认为转子开路，则

设电网电压在t=t0时刻升高，风机定子侧电压由Us1升高到Us2，则故障前后定子电压矢量方程可表示为

由式(1)、式(2)可以得到故障前后定子磁链方程表达式为

在电网电压骤升时，可以将定子磁链看成是强制分量和直流分量的一个叠加。强制分量由电网电压决定，并且以同步角速度ωs旋转;直流分量是为保证电网电压在电压骤升时电机磁链不间断的瞬态分量，其幅值衰减且不旋转。

3 实现HVRT的方法

目前高电压穿越技术的研究方法主要是两种:一种是改进的控制策略，该方法由于具有经济性而广泛用于轻度电压骤升中;另一种是增加硬件电路，该方法适用于深度电压骤升，但因硬件电路的加入增加了额外成本，不便大范围推广。

3.1 理论分析

一些研究在对高电压脱网事故进行分析的基础上，给出了相应的研究思路。文献［11］根据近来频繁发生的事故给出了大规模风电机组连锁脱网事故典型过程，并针对这一过程进行了仿真重演。文献［12］以某次实际高压脱网为例，通过分析并网点电压、输出功率和无功功率补偿三者之间的关系，证明在恒功率特性下风电机组投入无功补偿装置会使风电场并网点电压升高，最后通过仿真验证了其理论的有效性。文献［13］通过对风电场现场所用典型补偿装置的性能进行对比分析，为解决低/高电压穿越提出了解决思路。文献［14］针对常规电压检测方法周期长、计算量大、只能检测对称电压等缺点，提出一种新的电压检测方法，能够有效弥补传统检测方法的缺点，有助于制定高电压穿越的应对策略。

3.2 改进的控制策略

3.2.1 控制器控制

文献［15］针对连锁脱网事故时双馈风机连续操作的可能性，提出了混合电流控制方案。该控制方案由两个不同的控制单元构成:正常运行时的标准PI电流控制器和用于在恶劣的电压骤降/骤升条件下的基于矢量的滞环电流控制器。仿真结果表明该控制方案能有效限制转子过电流和直流母线过电压，符合双馈风机的低电压穿越和高电压穿越的规范要求。文献［16－17］研究了双馈风机在电网电压骤升时的暂态过程和控制方案，提出用增强滞环控制器和谐振控制器替换传统PI，其仿真试验表明，该方案对提升低/高电压穿越能力都有一定的效果。

3.2.2 变阻尼控制

文献［18］分析了电网电压骤升下DFIG的电磁暂态过程，提出了基于变阻尼的转子励磁控制策略来应对不同转速和骤升幅度的情况，有效抑制了转子电流和电磁转矩的冲击。文献［19］分析了电网电压不对称骤升下DFIG的电磁暂态过程，提出了基于虚拟电阻的控制策略，对抑制转子侧电流振荡有一定的效果，同时也提升了定子电流不平衡控制的动态响应。文献［20］分析了电网电压骤升下DFIG的转子电流电磁暂态过程，给出了由虚拟电阻演变而来的虚拟阻抗的改进策略，对高频和低频以及过电流和过电压都有较好的抑制效果。

3.2.3 其他控制策略

文献［21］研究了电网电压骤升时对直流母线的影响，在此基础上提出了柔性控制策略，可降低背靠背转换器功率损耗。文献［22］提出在故障期间吸收无功，从而在一定程度上限制了电压的上升。

3.3 增加硬件控制电路

3.3.1 无功补偿装置

文献［23］针对近年来频繁发生在现场的低/高电压连锁故障原因进行了分析，对现场的无功补偿装置的响应速度进行了测试，测试数据经实践考证对低/高电压穿越问题的研究具有重要的指导意义。文献［24］在分析连锁脱网事故机理的基础上对其进行了重演，并通过使用STATCOM在电压升高时吸收无功使得电压降低，从而达到了保护风机的目的。文献［25－26］在常规能源电网中对高电压问题进行了研究，提出通过加入无功补偿装置来提高电网的高电压穿越能力。文献［27］对电网电压在骤升故障下网侧和转子侧的功率约束关系及两变换器功率适配规则进行了分析与探讨，提出了动态无功支持的控制方案，通过在故障时向电网输出一定的感性无功来提高高电压穿越能力。文献［28］首先分析了引起电压骤升的可能原因，然后提出通过在直流侧加入Crowbar限制直流母线电压从而保护直流母线电容，最后提出通过无功补偿保护风机，并给出了DVR和STATCOM两种无功补偿的控制结构。文献［29］在分析电网电压骤升暂态特性的基础上，在直流侧加入Crowbar，采用滞环控制，有效抑制了电压骤升时转子电流和直流母线电压的升高。

3.3.2 增加组合保护电路

文献［30］提出了一种组合保护方案(CPS)，通过在电压骤升时对双馈风机进行功率控制，保证了风机在电压骤升时的不间断运行。文献［31］在动态电压调节器(DVR)的基础上加入超级超容器(SC)，形成基于SC的DVR协调控制策略。通过在故障期间对端口电压进行补偿，减少了DFIG的有功输出，实现了对称和不对称故障下 ZVRT、LVRT和HVRT。

3.4 其他方法

文献［32］提出了一种软硬件结合的技术方案，即直流侧通过斩波电路限制电压升高，网侧通过变流器调节最大无功电流，仿真试验证明了该技术方案可以满足高电压穿越。

4 研究展望

高电压穿越问题必将是未来风电研究领域的一个重要方向，可以从以下几个方面进行研究:

1)在连锁脱网事故中，为了在电网电压跌落时提高系统电压，往往通过投入无功补偿装置的方式。在实际中，无功补偿装置不具备快速调整电压的能力以及不能够快速及时切除，往往导致了非常明显的容升效应，使得大量过剩的无功涌入电网，抬升了系统电压。因此，如何合理安排无功支撑需要引起关注。

2)在分析电压骤升时双馈式风机的暂态特性过程中，假设电机磁路是非线性的，并忽略电压升高所导致的激磁电感下降和电机磁路饱和问题，分析该故障对系统带来的影响就具有局限性，这一点应值得关注。

3)针对双馈风机的缺点以及连锁脱网事故的根源，研发一种既具备双馈型风机优点又具备全功率型风机优点的新型风机，对于抑制大规模风电并网导致的系统过电压，将会是未来风电研究领域的热点。

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