风力发电高电压穿越控制方法

王欣钰，刘 杰

(郑州经贸学院，河南 新郑 451191)

0 引言

近年来，随着对环境保护的有关政策措施不断加强，以新能源为基础的发电方式开始受到越来越多的关注[1]。随着配电网中风电并网比例的不断提高，对电网运行的稳定性和安全性提出了更高的要求[2]。在此基础上，为了保障电力系统能够实现稳态运行，部分国家和地区相继出台了关于风电并网的行为规范[3]。其中，为了能够实现对异常风电电压故障的有效防御，对电压穿越能力进行了明确要求[4]。对电压穿越能力进行细化分析，其可以分为低电压穿越和高电压穿越2种。在电压发展初期，低压是困扰配电网运行状态的主要问题，因此对其有关研究开展较早，在长期的研究过程中，大部分问题已经能够得到有效解决。但是随着近年来配电网环境的不断发展，风电高电压问题表现得越来越突出。本文提出风力发电高电压穿越控制方法，并通过试验分析验证了设计方法在实际情况中的应用效果。

1 风电配网高电压穿越控制方法设计

1.1 构建定子磁链状态模型

在正常运行状态下，电网电压是以相对恒定的形式稳定传输的，此时定子磁链动态变化过程带来的影响基本可以忽略不计。但是，当配网的电压出现明显上升时，定子磁链自身的作用将会在一定程度上被放大，并且放大的程度与电压的强度存在一定的正比关系。因此，本文在实现对风电配网高电压穿越控制之前，首先以定子磁链的实际运行状态为基础构建了定子磁链状态模型。

在具体的建模过程中，本文将定子磁链矢量作为基础参量，将其定向同步旋转空间作为模型的空间范围。此时的定子电压在不同轴上的分量将会近似地存在以下关系：

(1)

式中：p(a)表示在定子磁链矢量为a条件下定子磁链的状态参量，xa表示定子磁链矢量a在x轴上是分布，ya表示定子磁链矢量a在y轴上是分布，k表示功率对定子磁链矢量x轴分量的解耦系数，b表示功率对定子磁链矢量y轴分量的解耦系数，e表示正常运行工况下，定子磁链的稳态系数，U表示电网系统配网侧输出的电压值。

通过式(1)可以看出，电网系统配网侧输出的电压值出现大幅度的上升波动时，定子磁链也会发生相应的瞬态变化。利用其变化的幅度，即可实现对电压上升幅度的计算，为后续的穿越控制参数设置提供基础。

1.2 高电压穿越控制

在上述基础上，本文通过调节相关配网相关运行参数实现对高电压穿越的控制。

首先可以根据本文“1.1”部分构建的模型计算得到电网系统配网侧电压的上升幅值，其可以表示为：

(2)

式中：ΔU表示电网系统配网侧电压的上升幅值，U0表示额定运行状态下电网系统配网侧电压参量。

本文结合电网系统配网侧电压的上升幅值控制变流器输出交流电压，确保配网输出电压的稳定性。需要注意的是，在不同运行区间内，变流器的运行状态是以相对动态的形式存在的，这就意味着电网交互有功、无功功率的状态也会表现出相应的差异。在实际运行过程中，变流器的工作状态主要包括在整流状态，变流器从电网吸收有功和感性无功功率到吸收有功和容性无功功率；在逆变状态，变流器向电网传输有功和容性无功功率到向电网传输有功和感性无功功率。

根据运行特点，在电网出现高电压的阶段，实现穿越控制的主要目标是确保变流器吸收的感性无功功率能够与电网系统配网侧电压的上升幅值产生的功率一致，因此变流器对应的运行参数设置结果可以表示为：

(3)

式中：V0表示配网直流侧的电压参数，V1表示对应的电网电压相量参数，V2表示等效电感电压相量参数，L表示电网侧的等效电感值，V3表示变流器输出电压相量参数，I3表示变流器输出电流相量参数。

通过这样的设置，就可以确保变流器为电网提供感性无功电流支撑，保障电网在高电压作用下恢复稳态电压。

2 测试与分析

在上述理论设计的基础上，为了进一步分析本文设计的风力发电高电压穿越控制方法在实际配电网中的应用效果，进行了应用测试。不仅如此，为了提高测试结果的分析价值，将文献[2]提出的以动态无功支撑情况为基础的高电压穿越控制方法，文献[3]提出的以SWITSC为基础的高电压穿越控制方法以及文献[4]提出的建立在变直流母线电压参考值基础上的高电压穿越控制方法进行分析比较，对本文设计方法的应用价值作出客观评价。

2.1 测试环境

本次开展测试的风电机组对应的最大风速为15.50 m/s，最小风速为12.00 m/s。相关运行参数如表1所示。

表1 测试风电机组运行参数

按照表1所示的参数信息，本文高电压现场的设置如图1所示。在测试阶段，本文首先将配电网高电压发生装置与风电机组升压变压器进行串联，并且确保其处于配电网的高压侧和35 kV电网之间。电网高电压发生装置的主要作用是在并网点模拟电网高电压情况的发生。在具体的实施阶段，通过调整高电压发生装置限流阻抗与短路容抗参数的方式，实现对不同程度电网高电压的模拟。

图1 测试环境高电压现场设置情况

2.2 测试结果

在上述基础上，本文统计了在不同程度电网高电压作用下，不同穿越控制方法的控制效果。考虑到在实际的电网环境中，高电压带来的最直接的影响是经过配网母线的电压出现相应的波动。因此，本文以母线电压的波动幅值为指标，统计了4种测试方法的结果，如表2所示。

表2 不同测试方法下配网母线电压波动幅值对比表

对比3种方法，文献[2]方法的波动性最高，其中，当并网点电压值为150 kV，对应的母线电压波动幅值最大值和最小值分别为158.76 V和81.30 V。相比之下，文献[3]方法下的母线电压波动幅值最大值虽然与文献[2]方法相比有所降低，但是其最小值也处于较高水平，当并网点电压值为150 kV，达到了96.31 V。文献[4]方法的测试结果中，整体表现出与文献[3]方法相似的特点，但是母线电压波动幅值实现了下降，表明其高电压穿越控制效果更加理想。观察本文设计方法的控制效果，其中，母线电压波动幅值始终稳定在23.0 V以内，最大值仅为22.41 V，当并网点电压值为110 kV时，对应的母线电压波动幅值最大值和最小值分别仅为14.56 V和8.70 V。测试结果表明本文设计方法可以实现良好的高电压穿越控制效果，在极大程度上保障配网在出现异常高电压时能够维持相对稳态。

3 结语

电网技术的不断发展使得在实际运行过程中存在的主要电压问题类型也逐渐发生了转变，由原始的低电压穿越控制问题转变为了高电压穿越控制问题。本文提出风力发电高电压穿越控制方法，实现了对高电压穿越的有效控制，在极大程度上保障了配电网供电的稳定性。借助本文的研究，希望可以为相关配电网安全管理工作的开展提供帮助。