電網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，世界能源問題愈發嚴重，為了實現碳達峰、碳中和目標，風能作為一種可再生能源受到越來越多的關注[1-2]。由于風能的特性，導致風電場輸出的電能具有不穩定、波動大的特點，容易影響局部電網的穩定性。隨著風電機組裝機規模越來越大，并網風電機組對電網穩定性的影響也得到了更多關注。但電網的不穩定性或故障對風電機組的影響往往被忽視，而這種不穩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，并網風電機組的增加導致電網穩定性承受著更加嚴峻的考驗。與此同時，因風電場內工作人員操作不當及設備問題導致的電網波動也時有發生。當發生電網故障后，有效的保護策略能夠減少事故發生。

雙饋異步風電機組(doubly fed induction generator，DFIG)是目前應用最為廣泛的風電機組。根據GB/T 19963.1—2021《風電場接入電力系統技術規定 第1部分：陸上風電》的要求[3]，所有并網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定并網運行。

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

本文以某并網風電場發生的35 kV箱式變壓器(下文簡稱為“箱變”)高壓側電網單相電壓跌落故障為例，結合泄放電阻保護、直流撬棒保護和轉子變流器控制各自的優點，研究了箱變高壓側電網單相電壓跌落故障后，電網電壓、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子回路包括轉子側變流器(RSC)、直流母線回路和網側變流器(GSC)；在轉子側配置了交流泄放電阻保護電路，在直流母線側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

當電網發生故障導致電壓跌落較深時，變流器向電網輸入的功率減少，而雙饋異步風電機組的發電機轉子繼續旋轉，其輸出功率不變，從而出現功率不平衡的現象，這種現象會導致變流器直流母線和發電機繞組電壓迅速上升，從而損壞變流器的器件或發電機組件。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生的瞬時能量，從而保持直流側電壓穩定，接著重新開啟變流器，并迅速提供無功支持，幫助電網電壓恢復正常。

1.2 直流撬棒保護電路

直流撬棒組件用于電網出現異常突發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間內。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故障中多余的沖擊功率。

當電網發生瞬間跌落故障，直流母線電壓超過某設定值時，串聯在正、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定值時，驅動關閉，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，實現了保護功能。

2 電網單相電壓跌落故障影響分析

2.1 電網電壓跌落故障的數據分析

目前，國內外針對電網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部電路。文獻[6-8]對于雙饋異步風電機組數學模型及不對稱電網故障下變流器暫態模型進行了深入分析，并提出了相關控制策略，以對變流器進行保護；但這些文獻對于電網電壓跌落故障后引起的電網異常，以及電網異常后對雙饋異步風電機組本身的影響并未進行分析。

本文以某并網風電場中雙饋異步風電機組實際發生的電網單相電壓跌落故障的數據為基礎進行分析。雙饋異步風電機組并網點正常電壓(即風電機組出口額定電壓)為交流690 V，當箱變高壓側發生單相跌落故障，會導致電網電壓嚴重不平衡。當發生電網單相電壓跌落時，根據GB/T 19963.1—2021的要求，變流器首先將電網異常識別為電網低電壓穿越；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電機的轉子暫態能量，隨后變流器向電網注入無功電流[9-10]，以幫助電網電壓的恢復；但是由于電網側只發生了單相跌落故障，其他兩相因為無功電流的注入會導致電網電壓驟升。電網電壓單相故障錄波如圖2所示。

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

電網電壓升高后又會觸發高電壓穿越，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熱嚴重，甚至觸發環境過溫保護。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，電網發生嚴重過電壓現象，電壓峰值高達風電機組額定電壓的160%～170%(見圖2)。根據變流器現有的高、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運行，這會導致電網過電壓持續時間較長，約為10 s。此情況下，雙饋異步風電機組內電氣部件的耐壓承受能力受到嚴重考驗。其中，電動變槳系統受到的影響較為嚴重。此外，電機、開關電源、浪涌保護器、變頻器、傳感器等器件會發生燒毀、擊穿等故障，將嚴重影響雙饋異步風電機組的運行安全。

電動變槳系統主要由交流伺服電機、后備電源、控制器、電機驅動器、開關電源、傳感器等組成[11]。電動變槳系統是通過電機驅動器驅動伺服電機轉動，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生故障時，需要將葉片收到安全位置，實現空氣動力剎車，以保證雙饋異步風電機組的運行安全。其中，電機驅動器、開關電源受電壓影響較大，這些設備內含有壓敏電阻、二極管等器件，容易發生擊穿、燒毀現象。

電動變槳系統是雙饋異步風電機組最重要的安全系統，如果電動變槳系統因為供電故障發生器件損壞，導致葉片卡槳，將會引發風電機組發生超速、飛車、倒塔等惡性事故。電動變槳系統正常供電電源為三相交流電，電機驅動器為交流-直流-交流結構[12]，整流后電機驅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。

電機驅動器的直流母線電壓故障錄波如圖4所示。

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

當電網供電正常時，電動變槳系統的交流供電電壓為400 V，電機驅動器的直流母線電壓約為565 V。從圖4可以看出：電網電壓升高后，電機驅動器的直流母線電壓隨即升高，且之后在電網高壓的影響下，電機驅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，造成電動變槳系統的電機驅動器損壞，最終導致電動變槳系統失效。

3 雙饋異步風電機組的優化策略

3.1 變流器優化

由于變流器無法檢測到箱變高壓側跌落保險狀態，因此只能通過被動檢測的方式來實現故障識別。由于單相電壓跌落故障屬于非正常電網現象，超出了GB/T 19963.1—2021所規定的高、低電壓穿越的電壓要求，變流器可以執行保護停機。根據現場故障記錄數據，通過判斷電網故障是否超時來實現保護。根據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異常持續時間，若滿足觸發條件，變流器報出故障，退出電網故障穿越模式，停止注入無功電流并停機。

3.2 電動變槳系統優化

3.2.1 供電電源保護優化

1)在電機驅動器的供電電源的相間并聯壓敏電阻，當電網發生瞬時高壓時，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。相間并聯壓敏電阻的拓撲結構示意圖如圖5所示。圖中：La、Lb、Lc為電源三相。

圖5 相間并聯壓敏電阻的拓撲結構示意圖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在正常供電時穩定運行，也要保證整流器晶閘管、二極管等器件在電網發生高壓沖擊時能夠得到保護。根據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值應至少大于520 V；箝位電壓(保護電壓)應小于整流器晶閘管、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)電動變槳系統的軸柜電氣設計增加了電網供電接觸器。在電網滑環進線到電機驅動器中間加入電網供電接觸器，該接觸器可以通過電機驅動器的數字量輸出(DO)來控制，在電機驅動器檢測到電網過電壓后，直接跳開電網供電接觸器，從物理上徹底分開電網和電機驅動器之間的電氣連線，即根據整流器晶閘管電網電壓檢測、控制板電網電壓檢測，以及直流母線電壓來判斷是否跳開電網供電接觸器。

3.2.2 直流母線電壓保護

電機驅動器需配置可控制的整流單元，當電機驅動器檢測到供電電源電壓過高，可關閉整流單元，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動器的內部器件。

由于電機驅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構，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 其他器件優化

應充分考慮雙饋異步風電機組內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電壓故障穿越控制策略優化后，在某并網風電場通過箱變跌落拉閘試驗來模擬電網單相電壓失效。保險單相拉閘觸發電網單相電壓跌落后，變流器進入電壓故障穿越模式，電網電壓不平衡且升高，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，電網異常持續時間超過電網電壓故障穿越控制策略設定的故障閾值后，變流器報故障并停機，持續的電網高電壓異常結束。

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部器件完好，并未因高電壓發生損壞。由于雙饋異步風電機組內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。

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

圖6 優化后的電機驅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：電動變槳系統在電網故障過程中進行了整流關斷與制動動作，將電機驅動器直流母線電壓限制在760 V以下；整流關斷時，電機驅動器的直流母線電壓為后備電源電壓，在450 V左右。電機驅動器的直流母線電壓在合理的工作范圍內，使電動變槳系統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 結論

本文針對某并網風電場箱變高壓側電網單相電壓跌落故障進行了分析論證，結合泄放電阻保護、直流撬棒保護和轉子變流器控制各自的優點，研究了箱變高壓側電網單相電壓跌落故障后，電網電壓、變流器直流母線電壓的變化；通過優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。試驗結果表明：傳統的電網電壓故障穿越控制策略不能有效保護不對稱電網故障下的雙饋異步風電機組及其內部器件的運行安全，通過優化雙饋異步風電機組的電網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。