電網(wǎng)單相電壓跌落故障對雙饋異步風電機組的影響

王 偉，苗云濤，侯甫坤

(中車山東風電有限公司，濟南 250022)

0 引言

當前，世界能源問題愈發(fā)嚴重，為了實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，風能作為一種可再生能源受到越來越多的關(guān)注[1-2]。由于風能的特性，導致風電場輸出的電能具有不穩(wěn)定、波動大的特點，容易影響局部電網(wǎng)的穩(wěn)定性。隨著風電機組裝機規(guī)模越來越大，并網(wǎng)風電機組對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也得到了更多關(guān)注。但電網(wǎng)的不穩(wěn)定性或故障對風電機組的影響往往被忽視，而這種不穩(wěn)定性或故障引起的破壞性是風電機組安全運行的重要隱患。

近年來，由于風電場的增多，并網(wǎng)風電機組的增加導致電網(wǎng)穩(wěn)定性承受著更加嚴峻的考驗。與此同時，因風電場內(nèi)工作人員操作不當及設(shè)備問題導致的電網(wǎng)波動也時有發(fā)生。當發(fā)生電網(wǎng)故障后，有效的保護策略能夠減少事故發(fā)生。

雙饋異步風電機組(doubly fed induction generator，DFIG)是目前應(yīng)用最為廣泛的風電機組。根據(jù)GB/T 19963.1—2021《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 第1部分：陸上風電》的要求[3]，所有并網(wǎng)風電機組必須具備高電壓穿越(high voltage ride through，HVRT)、低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力。為此，大多數(shù)雙饋異步風電機組都采用了泄放電阻(crowbar)[4]保護和直流撬棒(chopper)保護措施[5]，用來釋放過大的暫態(tài)沖擊能量，以降低電壓、電流變化對風電機組的沖擊影響，保證變流器的安全和雙饋異步風電機組的穩(wěn)定并網(wǎng)運行。

根據(jù)GB/T 19963.1—2021中規(guī)定的電網(wǎng)故障條件，現(xiàn)有并網(wǎng)風電機組電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略大多考慮了應(yīng)對對稱電網(wǎng)故障的措施。但是由于風電場輸出的電能具有不穩(wěn)定、波動大的特性，發(fā)生的電網(wǎng)故障往往是不對稱的，電網(wǎng)電壓經(jīng)常高于GB/T 19963.1—2021中的規(guī)定。當電網(wǎng)發(fā)生單相、兩相故障后，現(xiàn)有的并網(wǎng)風電機組的電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略不能達到有效保護其自身的目的，風電機組容易發(fā)生過電壓從而影響其安全運行。

本文以某并網(wǎng)風電場發(fā)生的35 kV箱式變壓器(下文簡稱為“箱變”)高壓側(cè)電網(wǎng)單相電壓跌落故障為例，結(jié)合泄放電阻保護、直流撬棒保護和轉(zhuǎn)子變流器控制各自的優(yōu)點，研究了箱變高壓側(cè)電網(wǎng)單相電壓跌落故障后，電網(wǎng)電壓、變流器直流母線電壓的變化，通過改進雙饋異步風電機組的電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略，以達到保證雙饋異步風電機組安全運行的目的。

1 雙饋異步風電機組電壓保護電路

本文研究的雙饋異步風電機組的電壓保護電路示意圖如圖1所示。雙饋異步風電機組的轉(zhuǎn)子回路包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)、直流母線回路和網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)；在轉(zhuǎn)子側(cè)配置了交流泄放電阻保護電路，在直流母線側(cè)配置了直流撬棒保護電路。

圖1 雙饋異步風電機組的電壓保護電路示意圖Fig. 1 Schematic diagram of voltage protection circuit of DFIG

1.1 泄放電阻保護電路

當電網(wǎng)發(fā)生故障導致電壓跌落較深時，變流器向電網(wǎng)輸入的功率減少，而雙饋異步風電機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，其輸出功率不變，從而出現(xiàn)功率不平衡的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會導致變流器直流母線和發(fā)電機繞組電壓迅速上升，從而損壞變流器的器件或發(fā)電機組件。與此同時，泄放電阻組件會通過能耗電阻來吸收去磁過程產(chǎn)生的瞬時能量，從而保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，接著重新開啟變流器，并迅速提供無功支持，幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

1.2 直流撬棒保護電路

直流撬棒組件用于電網(wǎng)出現(xiàn)異常突發(fā)狀況時的直流母線過壓保護。直流母線電容受高壓影響易被擊穿損壞，在變流器運行控制過程中，需要將直流母線電壓維持在一個區(qū)間內(nèi)。直流撬棒組件是個泄能單元，由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電阻組成，并聯(lián)在變流器直流母線回路；其能夠抑制直流母線過電壓，當直流母線電壓升高后，通過配置直流撬棒組件，可消耗雙饋異步風電機組在電網(wǎng)故障中多余的沖擊功率。

當電網(wǎng)發(fā)生瞬間跌落故障，直流母線電壓超過某設(shè)定值時，串聯(lián)在正、負直流母線之間的直流撬棒保護電路動作，通過能耗電阻釋放直流母線能量，直至直流母線電壓跌落至另一個電壓設(shè)定值時，驅(qū)動關(guān)閉，直流撬棒保護電路停止工作。通過直流撬棒組件短接正、負直流母線來釋放電機能量，實現(xiàn)了保護功能。

2 電網(wǎng)單相電壓跌落故障影響分析

2.1 電網(wǎng)電壓跌落故障的數(shù)據(jù)分析

目前，國內(nèi)外針對電網(wǎng)電壓跌落故障下變流器保護策略的研究已非常深入，低電壓穿越控制策略及保護電路能夠有效保護變流器內(nèi)部電路。文獻[6-8]對于雙饋異步風電機組數(shù)學模型及不對稱電網(wǎng)故障下變流器暫態(tài)模型進行了深入分析，并提出了相關(guān)控制策略，以對變流器進行保護；但這些文獻對于電網(wǎng)電壓跌落故障后引起的電網(wǎng)異常，以及電網(wǎng)異常后對雙饋異步風電機組本身的影響并未進行分析。

本文以某并網(wǎng)風電場中雙饋異步風電機組實際發(fā)生的電網(wǎng)單相電壓跌落故障的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析。雙饋異步風電機組并網(wǎng)點正常電壓(即風電機組出口額定電壓)為交流690 V，當箱變高壓側(cè)發(fā)生單相跌落故障，會導致電網(wǎng)電壓嚴重不平衡。當發(fā)生電網(wǎng)單相電壓跌落時，根據(jù)GB/T 19963.1—2021的要求，變流器首先將電網(wǎng)異常識別為電網(wǎng)低電壓穿越；進入低電壓穿越過程后，泄放電阻組件動作，以降低雙饋異步風電機組發(fā)電機的轉(zhuǎn)子暫態(tài)能量，隨后變流器向電網(wǎng)注入無功電流[9-10]，以幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)；但是由于電網(wǎng)側(cè)只發(fā)生了單相跌落故障，其他兩相因為無功電流的注入會導致電網(wǎng)電壓驟升。電網(wǎng)電壓單相故障錄波如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)電壓單相故障錄波Fig. 2 Single-phase fault recording of grid voltage

電網(wǎng)電壓升高后又會觸發(fā)高電壓穿越，變流器頻繁在低電壓穿越、高電壓穿越2種狀態(tài)下切換，導致其直流母線電壓波動較大。變流器的直流母線電壓故障錄波如圖3所示。

圖3 變流器的直流母線電壓故障錄波Fig. 3 Fault recording of DC bus voltage of converter

變流器的直流母線電壓波動使直流撬棒組件頻繁導通，導致直流撬棒組件發(fā)熱嚴重，甚至觸發(fā)環(huán)境過溫保護。變流器的運行日志如表1所示。

表1 變流器的運行日志Table 1 Operation log of converter

從表1可以看出：直流撬棒組件頻繁動作，會縮短直流撬棒組件內(nèi)部IGBT及電阻的使用壽命，影響雙饋異步風電機組的運行安全。

2.2 電網(wǎng)故障對雙饋異步風電機組的影響

由于無功電流的注入，電網(wǎng)發(fā)生嚴重過電壓現(xiàn)象，電壓峰值高達風電機組額定電壓的160%～170%(見圖2)。根據(jù)變流器現(xiàn)有的高、低電壓穿越控制方式，在故障穿越過程中，變流器需要保證雙饋異步風電機組不脫網(wǎng)運行，這會導致電網(wǎng)過電壓持續(xù)時間較長，約為10 s。此情況下，雙饋異步風電機組內(nèi)電氣部件的耐壓承受能力受到嚴重考驗。其中，電動變槳系統(tǒng)受到的影響較為嚴重。此外，電機、開關(guān)電源、浪涌保護器、變頻器、傳感器等器件會發(fā)生燒毀、擊穿等故障，將嚴重影響雙饋異步風電機組的運行安全。

電動變槳系統(tǒng)主要由交流伺服電機、后備電源、控制器、電機驅(qū)動器、開關(guān)電源、傳感器等組成[11]。電動變槳系統(tǒng)是通過電機驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，從而控制風電機組葉片角度，以捕獲風能。當雙饋異步風電機組發(fā)生故障時，需要將葉片收到安全位置，實現(xiàn)空氣動力剎車，以保證雙饋異步風電機組的運行安全。其中，電機驅(qū)動器、開關(guān)電源受電壓影響較大，這些設(shè)備內(nèi)含有壓敏電阻、二極管等器件，容易發(fā)生擊穿、燒毀現(xiàn)象。

電動變槳系統(tǒng)是雙饋異步風電機組最重要的安全系統(tǒng)，如果電動變槳系統(tǒng)因為供電故障發(fā)生器件損壞，導致葉片卡槳，將會引發(fā)風電機組發(fā)生超速、飛車、倒塔等惡性事故。電動變槳系統(tǒng)正常供電電源為三相交流電，電機驅(qū)動器為交流-直流-交流結(jié)構(gòu)[12]，整流后電機驅(qū)動器的直流母線電壓Udc可表示為：

式中：uac為交流供電電壓有效值。

電機驅(qū)動器的直流母線電壓故障錄波如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動器的直流母線電壓故障錄波Fig. 4 Fault recording of DC bus voltage of motor driver

當電網(wǎng)供電正常時，電動變槳系統(tǒng)的交流供電電壓為400 V，電機驅(qū)動器的直流母線電壓約為565 V。從圖4可以看出：電網(wǎng)電壓升高后，電機驅(qū)動器的直流母線電壓隨即升高，且之后在電網(wǎng)高壓的影響下，電機驅(qū)動器的直流母線電壓急劇升高到957 V，遠超過直流母線電容的耐壓承受能力[13-14]，直流母線電容可能因此被擊穿損壞，造成電動變槳系統(tǒng)的電機驅(qū)動器損壞，最終導致電動變槳系統(tǒng)失效。

3 雙饋異步風電機組的優(yōu)化策略

3.1 變流器優(yōu)化

由于變流器無法檢測到箱變高壓側(cè)跌落保險狀態(tài)，因此只能通過被動檢測的方式來實現(xiàn)故障識別。由于單相電壓跌落故障屬于非正常電網(wǎng)現(xiàn)象，超出了GB/T 19963.1—2021所規(guī)定的高、低電壓穿越的電壓要求，變流器可以執(zhí)行保護停機。根據(jù)現(xiàn)場故障記錄數(shù)據(jù)，通過判斷電網(wǎng)故障是否超時來實現(xiàn)保護。根據(jù)雙饋異步風電機組器件的耐受特性，在低電壓穿越控制策略中判斷電網(wǎng)異常持續(xù)時間，若滿足觸發(fā)條件，變流器報出故障，退出電網(wǎng)故障穿越模式，停止注入無功電流并停機。

3.2 電動變槳系統(tǒng)優(yōu)化

3.2.1 供電電源保護優(yōu)化

1)在電機驅(qū)動器的供電電源的相間并聯(lián)壓敏電阻，當電網(wǎng)發(fā)生瞬時高壓時，電壓達到壓敏電阻的導通閾值，使高壓能量泄放，保護整流電路及直流母線電容。相間并聯(lián)壓敏電阻的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。圖中：La、Lb、Lc為電源三相。

圖5 相間并聯(lián)壓敏電阻的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Topological structure diagram of interphase parallel varistor

壓敏電阻的選型原則是既要保證電動變槳系統(tǒng)在正常供電時穩(wěn)定運行，也要保證整流器晶閘管、二極管等器件在電網(wǎng)發(fā)生高壓沖擊時能夠得到保護。根據(jù)GB/T 19963.1—2021的要求，風電機組高電壓穿越的電壓要求最高為其額定電壓的130%，因此壓敏電阻的最大工作電壓VRMS值應(yīng)至少大于520 V；箝位電壓(保護電壓)應(yīng)小于整流器晶閘管、二極管的耐受電壓，以保護這些器件，而通常整流器晶閘管、二極管的耐受電壓最大值約為1600 V。

2)電動變槳系統(tǒng)的軸柜電氣設(shè)計增加了電網(wǎng)供電接觸器。在電網(wǎng)滑環(huán)進線到電機驅(qū)動器中間加入電網(wǎng)供電接觸器，該接觸器可以通過電機驅(qū)動器的數(shù)字量輸出(DO)來控制，在電機驅(qū)動器檢測到電網(wǎng)過電壓后，直接跳開電網(wǎng)供電接觸器，從物理上徹底分開電網(wǎng)和電機驅(qū)動器之間的電氣連線，即根據(jù)整流器晶閘管電網(wǎng)電壓檢測、控制板電網(wǎng)電壓檢測，以及直流母線電壓來判斷是否跳開電網(wǎng)供電接觸器。

3.2.2 直流母線電壓保護

電機驅(qū)動器需配置可控制的整流單元，當電機驅(qū)動器檢測到供電電源電壓過高，可關(guān)閉整流單元，使直流母線與供電電源隔離，從而避免供電電源高壓進一步影響電機驅(qū)動器的內(nèi)部器件。

由于電機驅(qū)動器與雙饋異步風電機組的變流器采用相似的直流母線結(jié)構(gòu)，可在直流母線處配置制動單元，該制動單元包含導通IGBT與制動電阻。當直流母線電壓因電網(wǎng)波動或電機制動時的能量回流而升高，可通過制動單元進行能量泄放，這與變流器配置直流撬棒組件進行保護的原理一致。

3.3 其他器件優(yōu)化

應(yīng)充分考慮雙饋異步風電機組內(nèi)電氣部件的耐壓承受能力，重要供電回路(例如變頻器、軟啟動器等)采用接觸器控制。

4 實際項目驗證

雙饋異步風電機組電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略優(yōu)化后，在某并網(wǎng)風電場通過箱變跌落拉閘試驗來模擬電網(wǎng)單相電壓失效。保險單相拉閘觸發(fā)電網(wǎng)單相電壓跌落后，變流器進入電壓故障穿越模式，電網(wǎng)電壓不平衡且升高，電壓最大可達到風電機組額定電壓的113%。高、低電壓故障穿越頻繁進入、退出，電網(wǎng)異常持續(xù)時間超過電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略設(shè)定的故障閾值后，變流器報故障并停機，持續(xù)的電網(wǎng)高電壓異常結(jié)束。

本次試驗中，變流器直流撬棒組件動作頻次降低，雙饋異步風電機組內(nèi)部器件完好，并未因高電壓發(fā)生損壞。由于雙饋異步風電機組內(nèi)部器件承受高電壓的時間大幅減少，器件的損壞幾率降低，可認定變流器保護邏輯有效。

電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略優(yōu)化后變流器的運行日志如表2所示。優(yōu)化后的電機驅(qū)動器直流母線電壓錄波如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的電機驅(qū)動器的直流母線電壓錄波Fig. 6 DC bus voltage recording of optimized motor driver

表2 控制策略優(yōu)化后變流器的運行日志Table 2 Operation log of converter after optimization of control strategy

從圖6可以看出：電動變槳系統(tǒng)在電網(wǎng)故障過程中進行了整流關(guān)斷與制動動作，將電機驅(qū)動器直流母線電壓限制在760 V以下；整流關(guān)斷時，電機驅(qū)動器的直流母線電壓為后備電源電壓，在450 V左右。電機驅(qū)動器的直流母線電壓在合理的工作范圍內(nèi)，使電動變槳系統(tǒng)能夠及時進行收槳動作，進行空氣動力剎車，從而可保證雙饋異步風電機組的運行安全。

5 結(jié)論

本文針對某并網(wǎng)風電場箱變高壓側(cè)電網(wǎng)單相電壓跌落故障進行了分析論證，結(jié)合泄放電阻保護、直流撬棒保護和轉(zhuǎn)子變流器控制各自的優(yōu)點，研究了箱變高壓側(cè)電網(wǎng)單相電壓跌落故障后，電網(wǎng)電壓、變流器直流母線電壓的變化；通過優(yōu)化雙饋異步風電機組的控制策略，達到保護雙饋異步風電機組安全運行的目的，并在實際項目中進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明：傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略不能有效保護不對稱電網(wǎng)故障下的雙饋異步風電機組及其內(nèi)部器件的運行安全，通過優(yōu)化雙饋異步風電機組的電網(wǎng)電壓故障穿越控制策略，使風電機組承受過電壓的時間大幅減少，風電機組及其內(nèi)部器件損壞的幾率大幅降低，從而使雙饋異步風電機組的安全運行得到了保證。