故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述

2018-02-06贾护民

智能城市 2018年3期

贾护民

青海省绿色发电集团股份有限公司，青海西宁 810000

伴随着社会经济的发展，我国的不可再生能源紧缺问题越来越严重，使得风能、水能等可再生能源有着极大的市场应用空间。其中在电网的发展中，多需要借助于风力能源使得风电系统发挥作用，但是很多地区的风力发电厂由于技术有限，以及需要向很多电力资源需求量较高的区域进行远距离的送电，因此，电力系统易发生电网电压跌落等故障问题，需要发电厂对于风电系统运行的安全性、可靠性多加关注。采用双馈型风力发电系统进行作业，一旦电网发生故障问题，即可通过无功电流等手段，使得电网可以正常工作运行。我国针对该项系统的应用，颁布了风电并网接入电力系统的规范，其中明确指出如果机端的电压值处于20%时，此时风电机组在运行中，需要在不脱网的条件下，继续进行运行，且运行的速度需要的达到625ms；以及该机组对于电压不平衡度（长时2%、短时4%）、并网电压谐波畸变率（4%），有着较好的承受力；同时该风电机组还可以通过无功电流，使得电网发生故障后可以继续运行[1]。该种系统的发电机为双馈型感应发电机。其使用的成本较低、有着容量较小的励磁变流器、传输速率可做调整的特点，以此实现对发生故障电网问题的修复，以及有着极强的抗干扰能力，因此，需要不断的加强应用。

1 双馈风电变流器运行技术概述

1.1 不脱网运行技术

目前我国对于电网运行不脱网的额定值要求较高，需要在此状态下的运行毫秒约为625，且机端电压的需要控制在20%左右，而在国外则远低于该标准。现阶段较为常见的故障问题，主要有电压骤降、升高，首先在骤降故障方面，应用双馈风电系统，在发生下降之后的第一周期，在发电机的转子位置，会出现过电压。该种电压值的幅值，与直流暂态分量、电压稳态分量之间有着密切的关系，这两项值发生叠加时，过电压值处于最高的水平，一旦抵消则处于较低值。其次电压升高故障，易导致直流侧过压情况，以及发电机转子过电压、下降和饱和的励磁电感与电机磁路，使得电路受到的冲击力加大。根据上述双馈变流器应用时，不脱网下获得数据即可为该种风电系统的有效应用，提供参数依据。

1.2 电网支撑能力

目前很多国家安装的风电机组在运行时，需要对外界干扰电网运行的因素进行控制，使得电网的故障问题可以尽快解除，恢复运行。我国要求电网在不存在故障问题后，额定功率值（10%）需要与正常运行的值无差别，其中分别对电网频率、电压幅值的调整，需要应用有功、无功功率实现调节，而且我国要求在发生电网故障后，首先使用无功功率进行调节[2]。

1.3 友好并网技术

针对电网运行故障中使用双馈风电系统的低次谐波畸变、三相电压不平衡的问题，以及该问题下的电压偏差较大的问题，可以对该系统的网侧变流器进行调节，使得并网点负序电压可以在无功电流的控制下，减少电压偏差问题，使得并网后可以满足系统运行的需要，使得输出的电流属于高正弦度电流，电力谐波注入顺利进行[3]。

2 短时故障下的运行技术研究

电网运行时，应用双馈风电系统，可以对电网故障后的电压的异常变化情况，通过对转子过电流、直流过电压的调节，以及保护硬件等手段来进行的处理，使得在不脱网下的风电机组正常运行。在现阶段的应用中，需要在故障问题下，系统应对电流冲击的具体方法进行重点的研究。

2.1 可以对励磁电流进行控制

对经过电机组的转子电流，进行指令的控制，以此来对定子磁链暂态分量，以及负序分量，进行相互之间的能力抵消，使得经过机组的电流值可以在控制下减少骤减、骤升对于设备电压造成的干扰，这种主动消磁的方法应用的较为广泛[4]。同时，还有对电流调节器的控制实现对电流的技术手段。在电流器电流控制闭环的使用中，采用虚拟电抗/电阻技术等手段的引入，使得设备动态响应速度加快。还可以使用电流矢量控制等方法，使得网侧变流器抵御外界干扰的能力提高。该法是通过对电流闭环的弊端问题作出的调整，在应用时有局限，还需要辅以风电系统的手段在故障下进行运行处理[5]。

2.2 提高等效电阻值

设备在运行中，可以借助于限流电阻的接入处理，使得转子过电流的值获得限制，以此可以穿越运行。现阶段较常使用的手段是撬棒法。该方法在应用时，可以对双馈电机转子绕组、旁路双馈变流器，进行电阻的短接处理，使得系统在故障下的穿越能力显著提升。同时，可以应用斩波器装置，以此在设备发生故障的第一时间，可以迅速的直流测过电压进行限制。

2.3 对机端电压进行处理

双馈型风电系统在运行阶段常常会出现负序分量，以及定子磁链暂态分量，在这两种能量的平衡处理中，可以对机端电压进行支撑处理。常用的支撑处理手段为动态电压恢复器，其通过对电压的补偿来对故障后的两种分量进行控制的，属于串联电压补偿。还可以通过并联电压补偿来处理。较之于前两种处理手段，机端电压的平衡处理，可以使得机端电压值处于较好的稳定状态下，但是应用时所需的设备、装置较多（保护措施），增加了系统运行的成本。目前，这三种技术手段在短时故障发生后均有一定的应用，需要操作人员结合本地的应用实际情况，选取最佳的技术进行故障后的穿越应用。

3 长期轻微故障下的运行技术研究

电力系统在运行中，常会使用不可控整流器、不可逆交流调速系统等装置，因此较常容易出现低次谐波畸变等情况，不符合我国并网运行的相关要求。因此，在双馈变流器的使用下，针对常见的轻微故障问题，需要将电网同步信号作为重要的参数来研究，在设备运行中，快速的追踪到该信号，以此来对有功和无功功率，进行科学的配置，可以采用变流器控制策略实现信号控制。

3.1 电网同步信号检测手段

在检测时，可以应用锁相环技术进行监测，该技术检测时的带宽较高，且动态性能满足检测的需要，检出结果较为理想。基于该技术的锁相环结节结构主要由三部分组成，压控振荡器、环路滤波器、鉴相器。在应用中，是在闭环的状态下开展工作的，但是在目前的该技术应用中，其结果易受到谐波分量的干扰，因此很多科研人员对鉴相器进行了重点的研究改进。可以应用构造滤波器提取法、级联延迟信号消除法对鉴相器的影响性因素进行改进。在前者方法的鉴相器改进中，对于正序基频变量，使用1阶广义积分器、方波发生器等装置进行提取，而后配合锁相环其他两个结构共同对同步信号实现检测；后者方法在使用中可以直接对受干扰的因素进行消除处理。此外，还可以对环路滤波器进行改进，提高信号检测的效果。需要在原有的滤波器元器件的基础上，添加自适应谐振调节器，实现精准的监测。在常规的滤波器使用中，由于设备的具有一定的滞后性，在电压发生异常变化后，锁定花费的时间较长，实时性效果较差，因此采用添加谐振调节器的方式，可以提高信号检测频率，且有着较高精度的检出值。同时，对于环路滤波器，也有学者研究可以采用全数字硬件锁相环，进行改进处理，该种改进方案可以借助于数字化的自动化技术，在发生故障问题后，可以快速的对信号进行检测。因此在同步信号的监测中，可以从鉴相器和环路滤波器这两个装置结构入手，进行结果精准度的研究。

3.2 变流器控制

电网的电压出现谐波分量等情况下，易出现谐波畸变问题、电压严重的波动等问题，因此需要采取有效的干预措施，使得谐波分量、负序分量处于合理的范围内，例如在变流器控制中，可以采用电流矢量控制方法。该法在应用时，需要构建正负序基频、电流等参数的数学模型，以此便于工作人员在把握这几个方面数据的关系之后，来进行控制。但是在应用中，需要对控制延时等情况多加关注。同时，还可以采用空间矢量直接功率控制策略，来对变流器进行处理。该种控制法具有着操作简单，参数对设备影响较小的优势，因此应用较多。在系统运转的过程中，在控制下通过滑膜调节器等装置，可以对电压的参考值进行监测和获取，结合该系统的运行需要，确定开关函数，以此来对功率管，进行直接性的控制。