电网单相电压跌落故障对双馈异步风电机组的影响

王 伟，苗云涛，侯甫坤

(中车山东风电有限公司，济南 250022)

0 引言

当前，世界能源问题愈发严重，为了实现碳达峰、碳中和目标，风能作为一种可再生能源受到越来越多的关注[1-2]。由于风能的特性，导致风电场输出的电能具有不稳定、波动大的特点，容易影响局部电网的稳定性。随着风电机组装机规模越来越大，并网风电机组对电网稳定性的影响也得到了更多关注。但电网的不稳定性或故障对风电机组的影响往往被忽视，而这种不稳定性或故障引起的破坏性是风电机组安全运行的重要隐患。

近年来，由于风电场的增多，并网风电机组的增加导致电网稳定性承受着更加严峻的考验。与此同时，因风电场内工作人员操作不当及设备问题导致的电网波动也时有发生。当发生电网故障后，有效的保护策略能够减少事故发生。

双馈异步风电机组(doubly fed induction generator，DFIG)是目前应用最为广泛的风电机组。根据GB/T 19963.1—2021《风电场接入电力系统技术规定 第1部分：陆上风电》的要求[3]，所有并网风电机组必须具备高电压穿越(high voltage ride through，HVRT)、低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力。为此，大多数双馈异步风电机组都采用了泄放电阻(crowbar)[4]保护和直流撬棒(chopper)保护措施[5]，用来释放过大的暂态冲击能量，以降低电压、电流变化对风电机组的冲击影响，保证变流器的安全和双馈异步风电机组的稳定并网运行。

根据GB/T 19963.1—2021中规定的电网故障条件，现有并网风电机组电网电压故障穿越控制策略大多考虑了应对对称电网故障的措施。但是由于风电场输出的电能具有不稳定、波动大的特性，发生的电网故障往往是不对称的，电网电压经常高于GB/T 19963.1—2021中的规定。当电网发生单相、两相故障后，现有的并网风电机组的电网电压故障穿越控制策略不能达到有效保护其自身的目的，风电机组容易发生过电压从而影响其安全运行。

本文以某并网风电场发生的35 kV箱式变压器(下文简称为“箱变”)高压侧电网单相电压跌落故障为例，结合泄放电阻保护、直流撬棒保护和转子变流器控制各自的优点，研究了箱变高压侧电网单相电压跌落故障后，电网电压、变流器直流母线电压的变化，通过改进双馈异步风电机组的电网电压故障穿越控制策略，以达到保证双馈异步风电机组安全运行的目的。

1 双馈异步风电机组电压保护电路

本文研究的双馈异步风电机组的电压保护电路示意图如图1所示。双馈异步风电机组的转子回路包括转子侧变流器(RSC)、直流母线回路和网侧变流器(GSC)；在转子侧配置了交流泄放电阻保护电路，在直流母线侧配置了直流撬棒保护电路。

图1 双馈异步风电机组的电压保护电路示意图Fig. 1 Schematic diagram of voltage protection circuit of DFIG

1.1 泄放电阻保护电路

当电网发生故障导致电压跌落较深时，变流器向电网输入的功率减少，而双馈异步风电机组的发电机转子继续旋转，其输出功率不变，从而出现功率不平衡的现象，这种现象会导致变流器直流母线和发电机绕组电压迅速上升，从而损坏变流器的器件或发电机组件。与此同时，泄放电阻组件会通过能耗电阻来吸收去磁过程产生的瞬时能量，从而保持直流侧电压稳定，接着重新开启变流器，并迅速提供无功支持，帮助电网电压恢复正常。

1.2 直流撬棒保护电路

直流撬棒组件用于电网出现异常突发状况时的直流母线过压保护。直流母线电容受高压影响易被击穿损坏，在变流器运行控制过程中，需要将直流母线电压维持在一个区间内。直流撬棒组件是个泄能单元，由绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电阻组成，并联在变流器直流母线回路；其能够抑制直流母线过电压，当直流母线电压升高后，通过配置直流撬棒组件，可消耗双馈异步风电机组在电网故障中多余的冲击功率。

当电网发生瞬间跌落故障，直流母线电压超过某设定值时，串联在正、负直流母线之间的直流撬棒保护电路动作，通过能耗电阻释放直流母线能量，直至直流母线电压跌落至另一个电压设定值时，驱动关闭，直流撬棒保护电路停止工作。通过直流撬棒组件短接正、负直流母线来释放电机能量，实现了保护功能。

2 电网单相电压跌落故障影响分析

2.1 电网电压跌落故障的数据分析

目前，国内外针对电网电压跌落故障下变流器保护策略的研究已非常深入，低电压穿越控制策略及保护电路能够有效保护变流器内部电路。文献[6-8]对于双馈异步风电机组数学模型及不对称电网故障下变流器暂态模型进行了深入分析，并提出了相关控制策略，以对变流器进行保护；但这些文献对于电网电压跌落故障后引起的电网异常，以及电网异常后对双馈异步风电机组本身的影响并未进行分析。

本文以某并网风电场中双馈异步风电机组实际发生的电网单相电压跌落故障的数据为基础进行分析。双馈异步风电机组并网点正常电压(即风电机组出口额定电压)为交流690 V，当箱变高压侧发生单相跌落故障，会导致电网电压严重不平衡。当发生电网单相电压跌落时，根据GB/T 19963.1—2021的要求，变流器首先将电网异常识别为电网低电压穿越；进入低电压穿越过程后，泄放电阻组件动作，以降低双馈异步风电机组发电机的转子暂态能量，随后变流器向电网注入无功电流[9-10]，以帮助电网电压的恢复；但是由于电网侧只发生了单相跌落故障，其他两相因为无功电流的注入会导致电网电压骤升。电网电压单相故障录波如图2所示。

图2 电网电压单相故障录波Fig. 2 Single-phase fault recording of grid voltage

电网电压升高后又会触发高电压穿越，变流器频繁在低电压穿越、高电压穿越2种状态下切换，导致其直流母线电压波动较大。变流器的直流母线电压故障录波如图3所示。

图3 变流器的直流母线电压故障录波Fig. 3 Fault recording of DC bus voltage of converter

变流器的直流母线电压波动使直流撬棒组件频繁导通，导致直流撬棒组件发热严重，甚至触发环境过温保护。变流器的运行日志如表1所示。

表1 变流器的运行日志Table 1 Operation log of converter

从表1可以看出：直流撬棒组件频繁动作，会缩短直流撬棒组件内部IGBT及电阻的使用寿命，影响双馈异步风电机组的运行安全。

2.2 电网故障对双馈异步风电机组的影响

由于无功电流的注入，电网发生严重过电压现象，电压峰值高达风电机组额定电压的160%～170%(见图2)。根据变流器现有的高、低电压穿越控制方式，在故障穿越过程中，变流器需要保证双馈异步风电机组不脱网运行，这会导致电网过电压持续时间较长，约为10 s。此情况下，双馈异步风电机组内电气部件的耐压承受能力受到严重考验。其中，电动变桨系统受到的影响较为严重。此外，电机、开关电源、浪涌保护器、变频器、传感器等器件会发生烧毁、击穿等故障，将严重影响双馈异步风电机组的运行安全。

电动变桨系统主要由交流伺服电机、后备电源、控制器、电机驱动器、开关电源、传感器等组成[11]。电动变桨系统是通过电机驱动器驱动伺服电机转动，从而控制风电机组叶片角度，以捕获风能。当双馈异步风电机组发生故障时，需要将叶片收到安全位置，实现空气动力刹车，以保证双馈异步风电机组的运行安全。其中，电机驱动器、开关电源受电压影响较大，这些设备内含有压敏电阻、二极管等器件，容易发生击穿、烧毁现象。

电动变桨系统是双馈异步风电机组最重要的安全系统，如果电动变桨系统因为供电故障发生器件损坏，导致叶片卡桨，将会引发风电机组发生超速、飞车、倒塔等恶性事故。电动变桨系统正常供电电源为三相交流电，电机驱动器为交流-直流-交流结构[12]，整流后电机驱动器的直流母线电压Udc可表示为：

式中：uac为交流供电电压有效值。

电机驱动器的直流母线电压故障录波如图4所示。

图4 电机驱动器的直流母线电压故障录波Fig. 4 Fault recording of DC bus voltage of motor driver

当电网供电正常时，电动变桨系统的交流供电电压为400 V，电机驱动器的直流母线电压约为565 V。从图4可以看出：电网电压升高后，电机驱动器的直流母线电压随即升高，且之后在电网高压的影响下，电机驱动器的直流母线电压急剧升高到957 V，远超过直流母线电容的耐压承受能力[13-14]，直流母线电容可能因此被击穿损坏，造成电动变桨系统的电机驱动器损坏，最终导致电动变桨系统失效。

3 双馈异步风电机组的优化策略

3.1 变流器优化

由于变流器无法检测到箱变高压侧跌落保险状态，因此只能通过被动检测的方式来实现故障识别。由于单相电压跌落故障属于非正常电网现象，超出了GB/T 19963.1—2021所规定的高、低电压穿越的电压要求，变流器可以执行保护停机。根据现场故障记录数据，通过判断电网故障是否超时来实现保护。根据双馈异步风电机组器件的耐受特性，在低电压穿越控制策略中判断电网异常持续时间，若满足触发条件，变流器报出故障，退出电网故障穿越模式，停止注入无功电流并停机。

3.2 电动变桨系统优化

3.2.1 供电电源保护优化

1)在电机驱动器的供电电源的相间并联压敏电阻，当电网发生瞬时高压时，电压达到压敏电阻的导通阈值，使高压能量泄放，保护整流电路及直流母线电容。相间并联压敏电阻的拓扑结构示意图如图5所示。图中：La、Lb、Lc为电源三相。

图5 相间并联压敏电阻的拓扑结构示意图Fig. 5 Topological structure diagram of interphase parallel varistor

压敏电阻的选型原则是既要保证电动变桨系统在正常供电时稳定运行，也要保证整流器晶闸管、二极管等器件在电网发生高压冲击时能够得到保护。根据GB/T 19963.1—2021的要求，风电机组高电压穿越的电压要求最高为其额定电压的130%，因此压敏电阻的最大工作电压VRMS值应至少大于520 V；箝位电压(保护电压)应小于整流器晶闸管、二极管的耐受电压，以保护这些器件，而通常整流器晶闸管、二极管的耐受电压最大值约为1600 V。

2)电动变桨系统的轴柜电气设计增加了电网供电接触器。在电网滑环进线到电机驱动器中间加入电网供电接触器，该接触器可以通过电机驱动器的数字量输出(DO)来控制，在电机驱动器检测到电网过电压后，直接跳开电网供电接触器，从物理上彻底分开电网和电机驱动器之间的电气连线，即根据整流器晶闸管电网电压检测、控制板电网电压检测，以及直流母线电压来判断是否跳开电网供电接触器。

3.2.2 直流母线电压保护

电机驱动器需配置可控制的整流单元，当电机驱动器检测到供电电源电压过高，可关闭整流单元，使直流母线与供电电源隔离，从而避免供电电源高压进一步影响电机驱动器的内部器件。

由于电机驱动器与双馈异步风电机组的变流器采用相似的直流母线结构，可在直流母线处配置制动单元，该制动单元包含导通IGBT与制动电阻。当直流母线电压因电网波动或电机制动时的能量回流而升高，可通过制动单元进行能量泄放，这与变流器配置直流撬棒组件进行保护的原理一致。

3.3 其他器件优化

应充分考虑双馈异步风电机组内电气部件的耐压承受能力，重要供电回路(例如变频器、软启动器等)采用接触器控制。

4 实际项目验证

双馈异步风电机组电网电压故障穿越控制策略优化后，在某并网风电场通过箱变跌落拉闸试验来模拟电网单相电压失效。保险单相拉闸触发电网单相电压跌落后，变流器进入电压故障穿越模式，电网电压不平衡且升高，电压最大可达到风电机组额定电压的113%。高、低电压故障穿越频繁进入、退出，电网异常持续时间超过电网电压故障穿越控制策略设定的故障阈值后，变流器报故障并停机，持续的电网高电压异常结束。

本次试验中，变流器直流撬棒组件动作频次降低，双馈异步风电机组内部器件完好，并未因高电压发生损坏。由于双馈异步风电机组内部器件承受高电压的时间大幅减少，器件的损坏几率降低，可认定变流器保护逻辑有效。

电网电压故障穿越控制策略优化后变流器的运行日志如表2所示。优化后的电机驱动器直流母线电压录波如图6所示。

图6 优化后的电机驱动器的直流母线电压录波Fig. 6 DC bus voltage recording of optimized motor driver

表2 控制策略优化后变流器的运行日志Table 2 Operation log of converter after optimization of control strategy

从图6可以看出：电动变桨系统在电网故障过程中进行了整流关断与制动动作，将电机驱动器直流母线电压限制在760 V以下；整流关断时，电机驱动器的直流母线电压为后备电源电压，在450 V左右。电机驱动器的直流母线电压在合理的工作范围内，使电动变桨系统能够及时进行收桨动作，进行空气动力刹车，从而可保证双馈异步风电机组的运行安全。

5 结论

本文针对某并网风电场箱变高压侧电网单相电压跌落故障进行了分析论证，结合泄放电阻保护、直流撬棒保护和转子变流器控制各自的优点，研究了箱变高压侧电网单相电压跌落故障后，电网电压、变流器直流母线电压的变化；通过优化双馈异步风电机组的控制策略，达到保护双馈异步风电机组安全运行的目的，并在实际项目中进行了试验验证。试验结果表明：传统的电网电压故障穿越控制策略不能有效保护不对称电网故障下的双馈异步风电机组及其内部器件的运行安全，通过优化双馈异步风电机组的电网电压故障穿越控制策略，使风电机组承受过电压的时间大幅减少，风电机组及其内部器件损坏的几率大幅降低，从而使双馈异步风电机组的安全运行得到了保证。