雙饋風電發電機組高電壓穿越的研究現狀

師 磊，吳國防，焦東宏2，李現偉

(1.華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450011；2.山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 運城 044000)

0 引言

隨著風電裝機容量逐年增加，風能自身的隨機性、波動性導致電網的調峰、調壓、調頻以及電能質量方面面臨巨大的挑戰，對電網安全運行提出更高的要求[1-2]。根據電網公司的電網事故的統計情況，電網由于某種原因導致電壓出現嚴重故障時，將引起風力發電機大面積脫網運行，不單是電網電壓跌落，電網電壓驟升現象已經構成了影響風電機組安全運行的重要因素之一[3-4]。

目前關于風電機組高電壓穿越要求的國家標準亟待出臺：①并網點電壓升高至130%UN時保持不脫網運行100 ms的能力。②并網點電壓升至125%UN時保持不脫網運行1 000 ms的能力。③并網點電壓升至120%UN時保持不脫網運行2 000 ms的能力。④并網點電壓升至115%UN時保持不脫網運行10 ms的能力。⑤并網點電壓升至110%UN時保持不脫網運行的能力[5]，如圖1所示。

1 高電壓穿越暫態特性研究現狀

與傳統的同步發電機結構相比，雙饋感應發電機的結構特殊，故導致其故障暫態特性也不同，且在DFIG高電壓穿越問題中，定子磁鏈的動態過程造成轉子感應電動勢的變化，反電勢又會對轉子電流產生影響，是造成轉子過電壓和過電流的主要原因，對DFIG電磁暫態全過程的準確分析是實現高電壓穿越運行的基礎和依據[6]。

文獻[7]從DFIG數學模型出發，運用解析運算方式對故障時電機的電磁暫態過程進行詳細的推導和深入分析，并借助疊加原理和拉普拉斯變換方法逐步推導出電機定、轉子磁鏈和電流的解析式。文獻[8]論證了雙饋風電機組1.3倍額定電壓的高電壓穿越過程全程可控的可行性。提出了一種基于雙饋變流器動態無功控制的高電壓穿越控制策略和風電機組主控系統與變流器協同控制完成高電壓穿越的實現方法；文獻[9]在分析電網電壓不對稱驟升時雙饋感應發電機暫態特性的基礎上，從最大限度吸收電網無功功率角度出發，提出適用于采用串聯網側變換器的雙饋風力發電系統的不對稱高電壓穿越控制策略，并對該系統的可控能力進行分析。但未對電磁暫態過進行詳細研究；文獻[10]建立了雙饋風力發電機組短路電流計算的等效模型，用來描述DFIG在故障期間的動態過程；文獻[11，12]分析了電網電壓對稱驟升故障和不對稱驟升故障下的DFIG瞬態轉換過程，在此基礎上，評估了影響高電壓穿越運行的因素，但都未涉及電網電壓恢復后定子磁鏈的動態變化。

圖1 風電機組高電壓穿越測試規程具體標準

以上文獻雖然從不同的角度研究了DFIG的點瑕疵暫態特性，但都是集中在電網電壓出現故障期間，并未詳細地分析故障切除后DFIG定子磁鏈的動態變化過程，且很少有專家學者對電網電壓不對稱驟升故障和恢復過程中的定子磁鏈暫態特性進行研究。

2 高電壓穿越控制策略研究現狀

分析國內外專家學者對DFIG高電壓穿越控制策略的研究現狀，主要分為兩大類。

1)改進自身的控制。文獻[13] 提出了一種基于Q-V控制和卸載控制的雙饋感應電機(DFIG)的基于P-Q協調的高壓穿越控制(HVRT)策略，可以在瞬變過程中與DFIG的快速有功功率控制相配合靈活地擴展DFIG的無功功率極限，從而可以有效地抑制直流雙極型塊引起的瞬態過電壓；文獻[14] 提出了基于結構分散理論的雙饋風力發電機勵磁雙饋控制模型。在此模型中，通過設計同步旋轉坐標系的d軸和q軸自適應終端滑模控制器，可以提高并網風電場的高壓穿越能力；文獻[15]從電網電壓驟升幅度的角度，分析了DFIG 網側換流器的控制能力，保證網側換流器具有可控性；文獻[16-18]研究了電網電壓驟升時，風電系統中換流器有功功率和無功功率的關系，提出考慮動態無功支撐的高電壓穿越控制策略；文獻[19]分析了高電壓現象產生的主要原因，提出了一種改進的控制策略，用于參與基于電網電壓變化的系統動態無功功率調節。

改進的控制策略在某種程度上提高了高電壓穿越能力，但是對電機參數的魯棒性弱，無法較好的實現高電壓穿越運行。

2)附加硬件電路。文獻[20]提出了一種超級電容器儲能單元(SCESU)，該儲能單元與背靠背轉換器的直流母線并聯連接，以提高其高壓穿越性能；文獻[21]采用 STATCOM 來吸收電網電壓驟升時產生的過剩無功功率，以此降低電網電壓；文獻[22]根據串聯的 GSC 用于根據定子端電壓靈活和可控特性，當電網電壓對稱上升時，發電機定子電壓保持不變，以此實現高電壓穿越；通過附加的直流卸荷電路和撬棒保護電路消耗系統多余能量的附加硬件電路也在 DFIG 高電壓穿越中得到廣泛應用。

附加電路能夠彌補了改進控制策略的不足，但額外的電路增加了機組的設計難度和制造成本，難以大規模運用。

3 結語

本文詳細分析了國內外專家學者對雙饋風力發電機組的暫態特性和高電壓穿越的控制策略，為后期研究本課題提供了理論基礎。