雙饋風電機組高電壓穿越問題綜述

張 虹，陳宇剛，戰春雨，鄭 江，賈 錚

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.國網浙江縉云縣供電公司，浙江金華321400)

當今全球化石燃料資源日益枯竭，而人類對能源需求量急劇增加，尋求綠色環保的可再生能源引起了各個國家的廣泛關注。近年來，風力發電成為非石化能源中最為人們所接受的發電形式，其總裝機發電容量逐年增加，然而大規模風電脫網事故時有發生。根據現代電網規范的要求，風電機組在電網故障期間應繼續并網運行，以維持電網的穩定性，避免造成不可估量的經濟損失。所以，電網故障穿越(GFRT)的研究越來越引起專家學者的廣泛關注［1－8］。

雖然各個國家對風電機組GFRT的定義有所區別，但是其內容基本一致［9－10］，即當電力系統發生事故或有擾動使得接入電網點電壓或頻率超出標準運行范圍時，在一定的電壓或頻率范圍及其持續時間間隔內，風電機組能夠按照標準要求繼續并網運行，且平穩過渡到正常運行狀態。目前，許多發達和發展中國家都對低電壓穿越(LVRT)進行了研究，對于高電壓穿越(HVRT)而言，相關的研究工作開展較晚。一些發達國家已經有明確的標準規定，最典型的要屬澳大利亞和德國E.ON公司的標準，但中國還沒有起草相關標準。因此，HVRT將會是未來一個時期內風電領域的研究熱點，本文對現有的HVRT技術方案進行了綜述。

1 HVRT概念及相關標準

高電壓穿越是指當風力發電機并網點電壓驟升時，風機能夠繼續保持并網運行，并提供足夠大的故障恢復電流，從而“穿越”這期間的高電壓。當前國際上尚未有統一的HVRT運行標準，澳大利亞、德國等國家已經陸續定量地制定了自己國家的風電場高電壓穿越要求。

澳大利亞標準規定，當高壓側電網電壓驟升至額定電壓的130% 時，風電機組應持續并網運行60 ms，并提供足夠大的故障恢復電流，經過900 ms后回到110%，保持不間斷運行。而德國高電壓穿越標準最大電壓限制在120%，此時持續運行100 ms后便迅速回到110%。

世界各國HVRT的部分技術要求如表1所示，各個國家的標準都是根據本國家的電網結構以及新能源發電所占比重制定的。從要求風機承受電壓驟升幅度的角度看，新西蘭和北美Manitoba的標準比其他國家的標準更為嚴格;從要求風機保持并網運行時間的角度看，加拿大AESO和美國WECC的標準比其他國家的標準更為嚴格;從要求風機恢復不間斷運行時間的角度看，德國E.ON的標準比其他國家的標準更為嚴格。盡管各個國家的標準有所區別，但是它們的一個共同點就是當電網電壓驟升幅度在110%及以下時風電機組要保持不間斷運行。目前，中國還沒有制定相應的HVRT標準，相信在不久的將來也會制定符合自己的相關標準。

表1 世界各國HVRT技術要求Tab.1 World HVRT technical requirements

2 電網電壓驟升下DFIG的暫態特性

高電壓時風電機組脫網的主要原因是由于電力電子器件的引入及變流器和直流母線電容對過電壓和過電流的承受能力有限造成的。因此，當電壓驟升引起電壓或電流過高時，風機出于自我保護自動脫離電網。雙饋風機等效電路模型如圖1所示。

定子和轉子的電壓、磁鏈方程為

式中:ω為電機旋轉角速度;ωs為同步角速度;R為電阻;L為電感;Lm為互感;Ψ為磁鏈矢量;V為電壓矢量;i為電流矢量;p為微分算子;下標r表示轉子，s表示定子。

圖1 雙饋風機等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of doubly fed wind turbine

正常工作時，風電機組定子側電壓矢量的表達式為

不計及定子電阻時的定子磁鏈方程為

由于MW級DFIG的轉子電阻和暫態電感都很小，風電機組轉子側電流對轉子側電壓的影響很小，故認為轉子開路，則

設電網電壓在t=t0時刻升高，風機定子側電壓由Us1升高到Us2，則故障前后定子電壓矢量方程可表示為

由式(1)、式(2)可以得到故障前后定子磁鏈方程表達式為

在電網電壓驟升時，可以將定子磁鏈看成是強制分量和直流分量的一個疊加。強制分量由電網電壓決定，并且以同步角速度ωs旋轉;直流分量是為保證電網電壓在電壓驟升時電機磁鏈不間斷的瞬態分量，其幅值衰減且不旋轉。

3 實現HVRT的方法

目前高電壓穿越技術的研究方法主要是兩種:一種是改進的控制策略，該方法由于具有經濟性而廣泛用于輕度電壓驟升中;另一種是增加硬件電路，該方法適用于深度電壓驟升，但因硬件電路的加入增加了額外成本，不便大范圍推廣。

3.1 理論分析

一些研究在對高電壓脫網事故進行分析的基礎上，給出了相應的研究思路。文獻［11］根據近來頻繁發生的事故給出了大規模風電機組連鎖脫網事故典型過程，并針對這一過程進行了仿真重演。文獻［12］以某次實際高壓脫網為例，通過分析并網點電壓、輸出功率和無功功率補償三者之間的關系，證明在恒功率特性下風電機組投入無功補償裝置會使風電場并網點電壓升高，最后通過仿真驗證了其理論的有效性。文獻［13］通過對風電場現場所用典型補償裝置的性能進行對比分析，為解決低/高電壓穿越提出了解決思路。文獻［14］針對常規電壓檢測方法周期長、計算量大、只能檢測對稱電壓等缺點，提出一種新的電壓檢測方法，能夠有效彌補傳統檢測方法的缺點，有助于制定高電壓穿越的應對策略。

3.2 改進的控制策略

3.2.1 控制器控制

文獻［15］針對連鎖脫網事故時雙饋風機連續操作的可能性，提出了混合電流控制方案。該控制方案由兩個不同的控制單元構成:正常運行時的標準PI電流控制器和用于在惡劣的電壓驟降/驟升條件下的基于矢量的滯環電流控制器。仿真結果表明該控制方案能有效限制轉子過電流和直流母線過電壓，符合雙饋風機的低電壓穿越和高電壓穿越的規范要求。文獻［16－17］研究了雙饋風機在電網電壓驟升時的暫態過程和控制方案，提出用增強滯環控制器和諧振控制器替換傳統PI，其仿真試驗表明，該方案對提升低/高電壓穿越能力都有一定的效果。

3.2.2 變阻尼控制

文獻［18］分析了電網電壓驟升下DFIG的電磁暫態過程，提出了基于變阻尼的轉子勵磁控制策略來應對不同轉速和驟升幅度的情況，有效抑制了轉子電流和電磁轉矩的沖擊。文獻［19］分析了電網電壓不對稱驟升下DFIG的電磁暫態過程，提出了基于虛擬電阻的控制策略，對抑制轉子側電流振蕩有一定的效果，同時也提升了定子電流不平衡控制的動態響應。文獻［20］分析了電網電壓驟升下DFIG的轉子電流電磁暫態過程，給出了由虛擬電阻演變而來的虛擬阻抗的改進策略，對高頻和低頻以及過電流和過電壓都有較好的抑制效果。

3.2.3 其他控制策略

文獻［21］研究了電網電壓驟升時對直流母線的影響，在此基礎上提出了柔性控制策略，可降低背靠背轉換器功率損耗。文獻［22］提出在故障期間吸收無功，從而在一定程度上限制了電壓的上升。

3.3 增加硬件控制電路

3.3.1 無功補償裝置

文獻［23］針對近年來頻繁發生在現場的低/高電壓連鎖故障原因進行了分析，對現場的無功補償裝置的響應速度進行了測試，測試數據經實踐考證對低/高電壓穿越問題的研究具有重要的指導意義。文獻［24］在分析連鎖脫網事故機理的基礎上對其進行了重演，并通過使用STATCOM在電壓升高時吸收無功使得電壓降低，從而達到了保護風機的目的。文獻［25－26］在常規能源電網中對高電壓問題進行了研究，提出通過加入無功補償裝置來提高電網的高電壓穿越能力。文獻［27］對電網電壓在驟升故障下網側和轉子側的功率約束關系及兩變換器功率適配規則進行了分析與探討，提出了動態無功支持的控制方案，通過在故障時向電網輸出一定的感性無功來提高高電壓穿越能力。文獻［28］首先分析了引起電壓驟升的可能原因，然后提出通過在直流側加入Crowbar限制直流母線電壓從而保護直流母線電容，最后提出通過無功補償保護風機，并給出了DVR和STATCOM兩種無功補償的控制結構。文獻［29］在分析電網電壓驟升暫態特性的基礎上，在直流側加入Crowbar，采用滯環控制，有效抑制了電壓驟升時轉子電流和直流母線電壓的升高。

3.3.2 增加組合保護電路

文獻［30］提出了一種組合保護方案(CPS)，通過在電壓驟升時對雙饋風機進行功率控制，保證了風機在電壓驟升時的不間斷運行。文獻［31］在動態電壓調節器(DVR)的基礎上加入超級超容器(SC)，形成基于SC的DVR協調控制策略。通過在故障期間對端口電壓進行補償，減少了DFIG的有功輸出，實現了對稱和不對稱故障下 ZVRT、LVRT和HVRT。

3.4 其他方法

文獻［32］提出了一種軟硬件結合的技術方案，即直流側通過斬波電路限制電壓升高，網側通過變流器調節最大無功電流，仿真試驗證明了該技術方案可以滿足高電壓穿越。

4 研究展望

高電壓穿越問題必將是未來風電研究領域的一個重要方向，可以從以下幾個方面進行研究:

1)在連鎖脫網事故中，為了在電網電壓跌落時提高系統電壓，往往通過投入無功補償裝置的方式。在實際中，無功補償裝置不具備快速調整電壓的能力以及不能夠快速及時切除，往往導致了非常明顯的容升效應，使得大量過剩的無功涌入電網，抬升了系統電壓。因此，如何合理安排無功支撐需要引起關注。

2)在分析電壓驟升時雙饋式風機的暫態特性過程中，假設電機磁路是非線性的，并忽略電壓升高所導致的激磁電感下降和電機磁路飽和問題，分析該故障對系統帶來的影響就具有局限性，這一點應值得關注。

3)針對雙饋風機的缺點以及連鎖脫網事故的根源，研發一種既具備雙饋型風機優點又具備全功率型風機優點的新型風機，對于抑制大規模風電并網導致的系統過電壓，將會是未來風電研究領域的熱點。

［1］ SLOOTWEG J G，DE HAAN S W H，POLINDER H，et al.General model for representing variable speed wind turbines in power system dynamics simulations［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2003，18:144－151.

［2］ 席文飛，劉峰，孫彪，等.2 MW雙饋式風電機組最大功率追蹤控制研究［J］.大電機技術，2012(3):36 －40.XI Wenfei，LIU Feng，SUN Biao，et al.Research on maximum power tracking control of 2 MW doubly－fed induction generator［J］.Large Electric Machine，2012(3):36 －40.

［3］ DEV SHUKLA R，TRIPATHI R K.Dynamic performance of DFIG based WECS under different voltage sag［C］//International Conference on Global Scenario in Environment and Energy，2013，5(2):980－992.

［4］ 汪寧渤，馬彥宏.酒泉風電基地脫網事故頻發的原因分析［J］.電力系統自動化，2012，19(10):42－46 WANG Ningbo，MA Yanhong.Analysis on root reasons of WTGs nuisance tripping Jiuquan wind power base［J］.Automation of E-lectric Power Systems，2012，19(10):42 －46.

［5］ 孫華東，孫振宇，林偉芳，等.2011年西北電網風機脫網事故分析及啟示［J］.電網技術，2012，36(10):76－80.SUN Huadong，SUN Zhenyu，LIN Weifang，et al.Analysis on serious wind turbine generators tripping accident in northwest China power grid in 2011 and its lessons［J］.Power System Technology，2012，36(10):76－80.

［6］ 何世恩，董新洲.大規模風電脫網原因及對策［J］.電力系統保護與控制，2012，41(1):21 －27.HE Shien，DONG Xinzhou.Cause for large scale wind turbine tripping and its countermeasures［J］.Power System Protection and Control，2012，41(1):21 －27.

［7］ 李丹，賈林.風電機組脫網原因及對策分析［J］.電力系統自動化，2011，35(22):41 －44.LI Dan，JIA Lin.Cause analysis on large－scale wind turbine tripping and its countermeasures［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35(22):41 －44.

［8］ 張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規模風電接入電網的相關問題及措施［J］.中國電機工程學報，2012，30(25):31 －37.ZHANG Liying，YE Tinglu，XIN Yaozhong，et al.Problems and measures of power grid accommodating large scale wind power［J］.Proceedings of the CSEE，2012，30(25):31－37.

［9］ 艾斯卡爾，朱永利，唐斌偉.風力發電機組故障穿越問題綜述［J］.電力系統保護與控制，2013，41(19):147－153.AISIKAER，ZHU Yongli，TANG Binwei.Summarizing for fault ride through characteristics of wind turbines［J］.Power System Protection and Control，2013，41(19):147 －153.

［10］ 栗然，李增輝.雙饋感應發電機低電壓穿越后機端高電壓現象分析［J］.現代電力，2013，30(1):55 －59.SU Ra，LI Zenghui.Analysis on the terminal high voltage of doubly－fed induction generator after occurring low voltage ride through［J］.Modern Electric Power，2013，30(1):55 －59.

［11］ WESSELS C，FUCHS F W.High voltage ride through with FACTS for DFIG based wind turbines［C］//13th European Conference on Power Electronics and Applications.2009，6(7):1 －10.

［12］ 楊金剛，吳林林，劉輝，等.大規模風電匯集地區風電機組高電壓脫網機理［J］.中國電力，2013，46(5):28 －33.YANG Jingang，WU Linlin，LIU Hui，et al.High － voltage trip－off mechanism of wind power generators in district grids with large－ scale wind power integration［J］.Electric Power，2013，46(5):28－33.

［13］ 拜潤卿，秦睿，智勇，等.風電基地動態無功補償裝置參數實測與分析［J］.中國電力，2012，3(2):7－12.BAI Runqing，QIN Rui，ZHI Yong，et al.Parameter test and analysis for dynamic compensation devices in wind power farms［J］.Electric Power，2012，3(2):7 －12.

［14］ 唐斌，賴成毅，張黎.一種三相電壓升高跌落檢測及其軟件實現方法［J］.東方電氣評論，2012，26(1):75－78.TANG Bing，LAI Chengyi，ZHANG Li.A type of detection of three phase voltage’s rise or fall and its software implementation［J］.Dongfang Electric Review，2012，26(1):75－78.

［15］ MOHSENI M，MASOUM M A S，ISLAM S M.Low and high voltage ride－through of DFIG wind turbines using hybrid current controlled converters［J］.Electric Power Systems Research，2011，81(7):1456－1465.

［16］ MOHSENI M，ISLAM S M.Transient control of DFIG －based wind power plants in compliance with the Australian Grid Code［J］.IEEE Trans on Power Electrical，2012，27(6):2813 －2824.

［17］ XU Hailing，ZHANG Wei，NIAN Heng，et al.Improved vector control of DFIG based with wind turbine during grid dips and swells［C］//International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS).Incheon，2010:511 －515.

［18］ 謝震，張興，宋海華，等.電網電壓驟升故障下雙饋風力發電機變阻尼控制策略［J］.電力系統自動化，2012，36(3):5 －11.XIE Zhen，ZHANG Xing，SONG Haihua，et al.Variable damping based control strategy of doubly fed induction generator based wind turbines under grid voltage swell［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36(3):5 －11.

［19］ 謝震，張興，楊淑英，等.電網電壓不對稱驟升下雙饋風力發電機改進控制策略［J］.中國電機工程學報，2013，33(15):109－118.XIE Zhen，ZHANG Xing，YANG Shuying，et al.An improved control strategy for doubly fed induction wind generators under unbalanced voltage swell［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33(15):109－118.

［20］ 謝震，張興，楊淑英，等.基于虛擬阻抗的雙饋風力發電機高電壓穿越控制策略［J］.中國電機工程學報，2012，32(27):16 －23.XIE Zhen，ZHANG Xing，YANG Shuying et al.High voltage ride－through control strategy of doubly fed induction wind generators based on virtual impedance［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(27):16－23.

［21］ LIU Changjin，HUANG Xiaobo，CHEN Min，et al.Flexible control of DC－link voltage for doubly fed induction generator during grid voltage swell［C］//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.Atlanta，GA:IEEE，2010:3091 －3095.

［22］ JOHAL H，DIVAN D.Design considerations for series connected distributed FACTS converters［C］//Industry Applications Conference.2005，2(37):889 －895.

［23］ 周鑫，逯洋，劉德坤.關于沽源片電網電壓偏高的原因分析及對策［J］.華北電力技術，2011，8(3):72 －78.ZHOU Xin，LIU Dekun.Research and countermeasures of high power grid voltage at Guyuan area［J］.North China Electric Power，2011，8(3):72 －78.

［24］ 葉希，魯宗相，喬穎.大規模風電機組連鎖脫網事故機理初探［J］.電力系統自動化，2012，8(3):1－8.YE Xi，LU Zongxiang，QIAO Gu.A primary analysis on mechanism of large scale cascading trip－off of wind turbine generators［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，8(3):1 －8.

［25］ FELTES C，ENGELHARDT S，KRETSCHMANN J，et al.High voltage ride－through of DFIG －based wind turbines［C］//Power and Energy Society General Meeting－Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century.2008，7(3):1 －8.

［26］ WOO Sung－Min，KANG Dae－Wook，LEE Woo－Chol，et al.The distribution STATCOM for reducing the effect of voltage sag and swell［C］//The 27th Annual Conference of the IEEE on Industrial Electronics Society.2001，2(10):1132 －1137.

［27］ 徐海亮，章瑋，陳建生，等.考慮動態無功支持的雙饋風電機組高電壓穿越控制策略研究［J］.中國電機工程學報，2013，33(36):112－119.XU Hailiang，ZHANG Wei，CHEN Jiansheng，et al.A high －voltage ride－through control strategy for DFIG based wind turbines considering dynamic reactive power support［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33(36):112－119.

［28］ RATHI M R，MOHAN N.A novel robust low voltage and fault ride through for wind turbine application operating in weak grids［C］//31st Annual Conference of IEEE on Industrial Electronics Society.2005，23(5):6 －10.

［29］ 張健.雙饋風力發電系統低/高電壓穿越技術研究［D］.北京:華北電力大學電氣與電子工程學院，2013.ZHANG Jian.Research on DFIG high/low voltage ride through［D］.Beijing:College of Electrical and Electronic Engineering，NCEPU，2013.

［30］ 杜寶星.基于雙饋感應發電機的風電系統故障穿越能力研究［D］.保定:華北電力大學電氣與電子工程學院，2013.DU Baoxing.Research on fault ride through capability of DFIG based wind power system［D］.Baoding:College of Electrical and Electronic Engineering，NCEPU，2013.

［31］ 許建兵，江全元，石慶均.基于儲能型DVR的雙饋風電機組電壓穿越協調控制［J］.電力系統自動化，2013，37(4):14 －20.XU Jianbing，JIANG Quanyuan，SHI Qingjun.Coordinated control of voltage ride through for DFIG wind turbine systems using energy－based DVR［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37(4):14－20.

［32］ 劉雪菁，朱丹，宋飛，等.風電機組高電壓穿越技術研究［J］.可再生能源，2013，31(11):34－38.LIU Xuejing，ZHU Dan，SONG Fei，et al.Feasibility analysis on high voltage ride－through of wind turbines［J］.Renewable Energy，2013，31(11):34 －38.