劉文洲，王思遠，李 寧，西燈考，楊 賀，劉 巡

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院，長春 130012； 2.長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春130012)

0 引言

人類社會的快速發(fā)展引發(fā)了一系列問題，當今最突出的兩個是環(huán)境問題和能源問題，因此各國政府都開始尋求新能源來替代傳統(tǒng)的化石能源。風能作為一種廣泛分布的能源，受到了更多的重視。然而，隨著越來越多的風電場的規(guī)劃建設(shè)，風電機組的裝機容量也越來越大，已經(jīng)在電網(wǎng)中占據(jù)一定的比重，但是，若電網(wǎng)發(fā)生故障時，風電機組不能像火電、水電等傳統(tǒng)的發(fā)電廠那樣向電網(wǎng)提供功率和頻率的支持，而是直接脫網(wǎng)，這將導致電網(wǎng)電壓和頻率的震蕩甚至崩潰，對電網(wǎng)造成沖擊，危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。所以，我們要求電網(wǎng)發(fā)生故障后風電機組不能任意退出運行，而是需要其參與到故障后電網(wǎng)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，對電網(wǎng)提供支撐，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)的故障會導致風力發(fā)電機組并網(wǎng)點電壓的驟降與驟升，目前，各國都已推出了相應(yīng)的規(guī)范來約束提高風電機組的故障適應(yīng)能力。由于電網(wǎng)電壓驟降故障較為常見，因此學者們對風電機組的低壓穿越能力研究較為深入，而高壓穿越能力正處于研究階段，將來各國也會出現(xiàn)較為完備的規(guī)范。下文將針對以上概念和問題進行詳細論述，以期為后續(xù)研究明確方向。

1 電網(wǎng)電壓跌落原因及低壓穿越

低壓穿越即當電網(wǎng)故障或擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，風電機組能夠在一定的電壓跌落范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運行[2]。

1.1 電壓跌落的原因

瞬態(tài)電網(wǎng)電壓跌落故障的發(fā)生一般是由短路引起的，跌幅為10%～90%，持續(xù)時間為半個電網(wǎng)周期～幾min。造成這種短路的原因：

1)元件損壞：絕緣材料的自然老化，設(shè)計安裝及維護不良造成設(shè)備故障進而引發(fā)短路；

2)氣象條件惡化：由于霧霾等原因造成絕緣表面臟污發(fā)生污閃，雷擊造成閃絡(luò)放電，架空線由于大風或表面覆冰導致桿塔倒塌等；

3)違規(guī)操作：運行人員帶負荷拉刀閘，線路檢修后未拆除地線便供電等；

4)其余原因：挖溝損傷地下電纜、鳥獸跨接在無絕緣線路兩相之間等。

由此可見，引起低電壓故障的原因有很多，在電力系統(tǒng)中，電壓跌落現(xiàn)象很常見而且時有發(fā)生。

在三相系統(tǒng)中，根據(jù)短路發(fā)生的相數(shù)和接地與否大致可以分為如下幾種短路故障：單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地、三項短路[3]。表1列出了各種故障類型以及發(fā)生的概率。

由表1中可以看出，單相接地短路故障發(fā)生的概率最高，這種短路危害相對最小，三項短路故障發(fā)生的概率最低，這種短路對電力系統(tǒng)危害最大。

表1 電網(wǎng)短路類型發(fā)生概率

1.2 電壓跌落對雙饋風力發(fā)電機組的影響

由于雙饋機組定子直接和電網(wǎng)相連，所以電網(wǎng)發(fā)生低壓故障后將直接對電機的定子端產(chǎn)生影響。在發(fā)生三相短路故障時，由于定子磁鏈不可能發(fā)生突變，在故障發(fā)生的瞬間每相將激生一個直流分量，在發(fā)生不對稱故障時還會激生出負序分量。這兩種分量的存在將造成旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中電壓和電流升高，若不采取措施限制升高的電壓和電流，將對雙饋機組造成破壞。

1.3 各國對低壓穿越的規(guī)定

1.3.1 美國

風電場必須具有在電壓跌至15%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行625 ms的低電壓穿越能力；風電場電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行(任何時間，只要電壓值不低于圖中的電壓曲線)。繪出其圖形如圖1所示：橫坐標表示時間，縱坐標表示并網(wǎng)點電壓。

圖1 美國風力發(fā)電低壓穿越標準

1.3.2 德國

有功輸出在故障切除后立即恢復并且每秒鐘至少增加額定功率的20%。陰影區(qū)域中，有功功率每秒鐘可以增加額定功率的5%；電網(wǎng)故障時，機組必須能夠提供電壓支持。如果電壓降落幅度大于機端電壓均方根值的10%，機組必須切換至支持電壓。機組必須在故障識別后20 ms內(nèi)通過提供機端無功功率進行電壓支持，無功功率的提供必須保證電壓每降落1%的同時無功電流增加2%。繪出其圖形如圖2所示。

圖2 德國風力發(fā)電低壓穿越標準

1.3.3 丹麥

故障穿越要求規(guī)定，三相故障從標稱電壓的20%～75%開始，持續(xù)10 s；風電場應(yīng)在電壓重新到達90%以上后，不遲于10 s發(fā)出額定功率；在電壓恢復到90%后，應(yīng)在不遲于10 s內(nèi)滿足與電網(wǎng)的無功功率交換要求。電壓降落期間，風電場必須盡量發(fā)到風電場標稱電流1.0倍的無功電流。圖3所示是丹麥故障穿越標準。

圖3 丹麥風力發(fā)電低壓穿越標準

除此之外，丹麥還規(guī)定了雙重電壓降落特性，規(guī)定要求兩相短路100 ms后間隔300 ms再發(fā)生一次新的100 ms短路時不脫網(wǎng)；單相短路100 ms后間隔1 s再發(fā)生一次新的100 ms電壓降落時要求也不脫網(wǎng)。

1.3.4 中國

我國2009年出臺了相關(guān)標準：風電場內(nèi)的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625 ms的低電壓穿越能力；風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組保持并網(wǎng)運行。如圖4所示[4]。

圖4 中國風力發(fā)電低壓穿越標準

1.4 低壓穿越實現(xiàn)方案

針對雙饋機組的低壓穿越方案已有大量研究，提出的技術(shù)方案主要可以分為兩種：一種是改進控制策略；另一種是改進硬件電路拓撲結(jié)構(gòu)[5]。

1.4.1 改進控制策略

方案1：通過對轉(zhuǎn)子電流進行定向，用轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電流來抵消掉轉(zhuǎn)子磁鏈中多余的成分；

方案2：把魯棒控制中的H∞和μ-analysis技術(shù)應(yīng)用到變流器控制當中；

方案3：通過對雙饋風力發(fā)電機組網(wǎng)側(cè)變流器傳統(tǒng)的電壓、電流雙閉環(huán)的矢量控制策略加以改進，把靜止無功補償器的控制策略加入其中。

1.4.2 改進硬件電路拓撲結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路：當電網(wǎng)電壓大幅驟降時，轉(zhuǎn)子側(cè)可能會產(chǎn)生過電流，為消耗掉多余的能量，在轉(zhuǎn)子側(cè)串接電阻構(gòu)成耗能回路，此電路被稱為Crowbar電路。應(yīng)用于低壓穿越的Crowbar電路均利用SCR、IGCT、IGBT等可關(guān)斷開關(guān)器件實現(xiàn)自由控制，其結(jié)構(gòu)分為兩種：三相可關(guān)斷開關(guān)結(jié)構(gòu)和二極管整流加IGBT結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

直流側(cè)Chopper電路：在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障后，雙饋機組的轉(zhuǎn)子側(cè)將會產(chǎn)生較大的沖擊電流，將給直流側(cè)電容充電，使直流母線電壓升高，Chopper電路可以將多余的能量消耗，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。Chopper電路由全控電力電子器件(一般為IGBT)和耗能電阻構(gòu)成，圖6所示為Chopper電路在雙饋機組中的連接方式。

(a)三相可關(guān)斷開關(guān)結(jié)構(gòu)

(b)二極管整流加IGBT結(jié)構(gòu)圖5 主動型Crowbar裝置結(jié)構(gòu)

圖6 Chopper電路結(jié)構(gòu)

雖然解決方法種類很多，但是各有利弊。從兩種大的分類來看，雖然改變控制策略的方法具有節(jié)約成本、簡單易行的優(yōu)勢，但是這種方法受到定子和轉(zhuǎn)子漏感的影響，漏感越大補償能力越強，反之越弱；改變硬件電路的方式會增加成本投入，而且在保護電路投入運行時，將會造成雙饋機組的短時失控。所以，有必要將兩種控制方式結(jié)合起來，保證較好的低壓穿越能力的同時，確保雙饋機組的安全。

2 電網(wǎng)電壓驟升的原因及高壓穿越

高壓穿越即當電網(wǎng)電壓升高時，在一定的過電壓范圍內(nèi)，風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。

2.1 電壓驟升的原因

電網(wǎng)電壓驟升一般是由于無功功率過剩導致的?？梢詫е聼o功功率過剩的原因，主要有以下4種：1)當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，導致非故障相的電壓升高；2)大功率用電設(shè)備突然斷路；3)電流波動導致的電壓升高；4)大容量容性無功設(shè)備的投入。

在風電場中，并網(wǎng)點電壓驟升往往發(fā)生在電壓驟降之后。在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障后，會導致一些沒有低壓穿越能力的風電機組從電網(wǎng)解列，在電網(wǎng)電壓恢復的過程中，一些具有低壓穿越能力的風電機組會向電網(wǎng)提供無功支持，無功補償裝置也會對電網(wǎng)提供無功補償，而由于控制系統(tǒng)的滯后性和無功補償裝置無自動投切功能，將導致風電場無功過剩，進而使得風電機組并網(wǎng)點電壓升高，由于風電機組不具備高壓穿越能力，將會導致那些經(jīng)過低壓穿越的機組脫網(wǎng)，使事故擴大，造成嚴重后果[6]。

2.2 高壓穿越現(xiàn)狀

目前高壓穿越技術(shù)還處于研究當中，不如低壓穿越成熟。澳大利亞首先制定了具有真正意義的高壓穿越導則，該導則規(guī)定高壓側(cè)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130%時，風電機組應(yīng)維持60 ms而不脫網(wǎng)，電網(wǎng)電壓從額定值的130%回到額定值的110%時機組需要不間斷運行900 ms并提供足夠大的故障恢復電流[7]。這一要求完全可以抵御過電壓故障。圖7所示為澳大利亞的高壓穿越標準。

圖7 澳大利亞高壓穿越標準

美國WECC并網(wǎng)導則要求，在電網(wǎng)電壓升高到120%時，風電機組具有并網(wǎng)運行1 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至118%時，風電機組具有并網(wǎng)運行2 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至115%時，風電機組具有并網(wǎng)運行3 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至110%時，風電機組具有持續(xù)并網(wǎng)的能力。圖8所示為美國WECC高壓穿越導則。

我國在高壓穿越方面也在積極制訂標準，2017年國家能源局制訂了《風電機組高電壓穿越測試規(guī)程》，今后有望成為我國的高壓穿越標準。該規(guī)程規(guī)定：風電機組具有在測試點電壓為130%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行200 ms的能力；風電機組具有在測試點電壓為125%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行1 s的能力；風電機組具有在測試點電壓為120%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行2 s的能力；風電機組具有在測試點電壓為115%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行10 s的能力；風電機組具有在測試點電壓為110%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力。圖9所示為我國擬發(fā)布的高壓穿越標準。

圖8 美國WECC高壓穿越導則

圖9 中國擬發(fā)布的高壓穿越標準

2.3 高壓穿越實現(xiàn)方案

關(guān)于高壓穿越的解決方案也可分為兩類，即改進控制策略和改進硬件電路。

2.3.1 改進控制策略[8]

方案1：在風電機組不同階段采取不同的控制方式。在正常情況下采用PI控制，在過電壓故障時變流器采用基于滯環(huán)電流的矢量控制策略；

方案2：通過把諧振控制器加入到傳統(tǒng)PI控制器當中，從而組成PI-R這種結(jié)構(gòu)的控制器，在電網(wǎng)電壓上升時對轉(zhuǎn)子電流的抑制有一定作用；

方案3：直流母線電壓隨電網(wǎng)電壓波動的控制策略，在電網(wǎng)電壓升高或者降低時相應(yīng)的調(diào)整母線電壓的大小，減小了電網(wǎng)電壓對變流器的沖擊。

2.3.2 改進硬件結(jié)構(gòu)[9]

方案1：在電網(wǎng)電壓驟升時，也會伴隨著直流側(cè)電壓的驟升，因此也需要在變流器直流側(cè)增加Chopper電路，以抑制電網(wǎng)電壓驟升可能導致的網(wǎng)側(cè)變流器能量逆向流動而引起的變流器直流側(cè)電壓上升；

方案2：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器串聯(lián)電阻以抑制轉(zhuǎn)子過流的方案，從而避免了機側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時因撬棒電阻的投入而失去對發(fā)電機的控制，并能夠在故障期間持續(xù)對電網(wǎng)提供無功支持，減少轉(zhuǎn)矩的脈動；

方案3：電網(wǎng)電壓驟升時采用靜止同步補償器(STATCOM)和動態(tài)電壓恢復器的方案。

在電網(wǎng)電壓驟升的情況下，必須要確保風電機組自身具有較好的高壓穿越能力，同時也需要配合其他手段，更好地實現(xiàn)高壓穿越能力，例如硬件電路解決方案中的方案一與方案三結(jié)合，在風電機組處利用直流側(cè)Chopper電路對機組進行保護，在并網(wǎng)點處加裝靜止同步補償器來調(diào)整并網(wǎng)點電壓，從而達到較好的高壓穿越效果，以雙饋機組為例，畫出其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 雙饋機組機側(cè)、網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制的高壓穿越硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

上文對低、高壓穿越技術(shù)進行了詳盡的介紹，并且根據(jù)雙饋機組的情況選擇出相應(yīng)的辦法解決低、高壓穿越問題。通過前文分析，無論低壓穿越還是高壓穿越，都不希望雙饋機組在故障穿越過程中出現(xiàn)不可控的時間，為此，最佳的控制方案是確保轉(zhuǎn)子側(cè)Crowe-bar保護電路和直流側(cè)Chopper電路在穿越過程中不動作或盡可能地減少投入時間。因此，在今后的研究中，應(yīng)重點研究一種控制算法，以滿足新提出來的硬件結(jié)構(gòu)，來保證在故障穿越過程中，縮短保護電路投入時間或者不會觸發(fā)雙饋機組的保護電路。

[1] 張興，曲庭余.對稱電網(wǎng)電壓驟升下雙饋電機暫態(tài)分析[J].電源學報，2013(2):40-45.

[2] 鄒和平.變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越技術(shù)研究[D].大連:大連理工大學.2013.

[3] 何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].武漢:華中科技大學出版社，2002:95-97.

[4] 程孟增.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學，2012.

[5] 徐斯銳.雙饋風力發(fā)電變流器控制策略及低/高電壓穿越技術(shù)研究[D].上海:上海電機學院，2016.

[6] 胡蘭青，孫麗玲.定子匝間短路故障下雙饋風力發(fā)電機組高壓穿越性能研究[J].電機與控制應(yīng)用，2017，44(5):108-115.

[7] 周雙喜，魯宗相.風力發(fā)電與電力系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2011:365-371.

[8] 李少林，王偉勝，王瑞明，等.雙饋風電機組高電壓穿越控制策略與試驗[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40(16):76-82.

[9] 葉盛峰.風力機控制與電力系統(tǒng)繼電保護[D].烏魯木齊:新疆大學，2016:1-63.