張 虹，陳宇剛，戰(zhàn)春雨，鄭 江，賈 錚

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

當(dāng)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(huán)保的可再生能源引起了各個國家的廣泛關(guān)注。近年來，風(fēng)力發(fā)電成為非石化能源中最為人們所接受的發(fā)電形式，其總裝機(jī)發(fā)電容量逐年增加，然而大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故時有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)范的要求，風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障期間應(yīng)繼續(xù)并網(wǎng)運行，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，避免造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。所以，電網(wǎng)故障穿越(GFRT)的研究越來越引起專家學(xué)者的廣泛關(guān)注［1－8］。

雖然各個國家對風(fēng)電機(jī)組GFRT的定義有所區(qū)別，但是其內(nèi)容基本一致［9－10］，即當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故或有擾動使得接入電網(wǎng)點電壓或頻率超出標(biāo)準(zhǔn)運行范圍時，在一定的電壓或頻率范圍及其持續(xù)時間間隔內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠按照標(biāo)準(zhǔn)要求繼續(xù)并網(wǎng)運行，且平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)。目前，許多發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家都對低電壓穿越(LVRT)進(jìn)行了研究，對于高電壓穿越(HVRT)而言，相關(guān)的研究工作開展較晚。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最典型的要屬澳大利亞和德國E.ON公司的標(biāo)準(zhǔn)，但中國還沒有起草相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，HVRT將會是未來一個時期內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點，本文對現(xiàn)有的HVRT技術(shù)方案進(jìn)行了綜述。

1 HVRT概念及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

高電壓穿越是指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點電壓驟升時，風(fēng)機(jī)能夠繼續(xù)保持并網(wǎng)運行，并提供足夠大的故障恢復(fù)電流，從而“穿越”這期間的高電壓。當(dāng)前國際上尚未有統(tǒng)一的HVRT運行標(biāo)準(zhǔn)，澳大利亞、德國等國家已經(jīng)陸續(xù)定量地制定了自己國家的風(fēng)電場高電壓穿越要求。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)高壓側(cè)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130% 時，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)持續(xù)并網(wǎng)運行60 ms，并提供足夠大的故障恢復(fù)電流，經(jīng)過900 ms后回到110%，保持不間斷運行。而德國高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)最大電壓限制在120%，此時持續(xù)運行100 ms后便迅速回到110%。

世界各國HVRT的部分技術(shù)要求如表1所示，各個國家的標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)本國家的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及新能源發(fā)電所占比重制定的。從要求風(fēng)機(jī)承受電壓驟升幅度的角度看，新西蘭和北美Manitoba的標(biāo)準(zhǔn)比其他國家的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格;從要求風(fēng)機(jī)保持并網(wǎng)運行時間的角度看，加拿大AESO和美國WECC的標(biāo)準(zhǔn)比其他國家的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格;從要求風(fēng)機(jī)恢復(fù)不間斷運行時間的角度看，德國E.ON的標(biāo)準(zhǔn)比其他國家的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。盡管各個國家的標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，但是它們的一個共同點就是當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升幅度在110%及以下時風(fēng)電機(jī)組要保持不間斷運行。目前，中國還沒有制定相應(yīng)的HVRT標(biāo)準(zhǔn)，相信在不久的將來也會制定符合自己的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 世界各國HVRT技術(shù)要求Tab.1 World HVRT technical requirements

2 電網(wǎng)電壓驟升下DFIG的暫態(tài)特性

高電壓時風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)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(dāng)電壓驟升引起電壓或電流過高時，風(fēng)機(jī)出于自我保護(hù)自動脫離電網(wǎng)。雙饋風(fēng)機(jī)等效電路模型如圖1所示。

定子和轉(zhuǎn)子的電壓、磁鏈方程為

式中:ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)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?zhǔn)噶?V為電壓矢量;i為電流矢量;p為微分算子;下標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子，s表示定子。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of doubly fed wind turbine

正常工作時，風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)電壓矢量的表達(dá)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(zhuǎn)子電阻和暫態(tài)電感都很小，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)電流對轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的影響很小，故認(rèn)為轉(zhuǎn)子開路，則

設(shè)電網(wǎng)電壓在t=t0時刻升高，風(fēng)機(jī)定子側(cè)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(dá)式為

在電網(wǎng)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(wǎng)電壓決定，并且以同步角速度ωs旋轉(zhuǎn);直流分量是為保證電網(wǎng)電壓在電壓驟升時電機(jī)磁鏈不間斷的瞬態(tài)分量，其幅值衰減且不旋轉(zhuǎn)。

3 實現(xiàn)HVRT的方法

目前高電壓穿越技術(shù)的研究方法主要是兩種:一種是改進(jìn)的控制策略，該方法由于具有經(jīng)濟(jì)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(wǎng)事故進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了相應(yīng)的研究思路。文獻(xiàn)［11］根據(jù)近來頻繁發(fā)生的事故給出了大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故典型過程，并針對這一過程進(jìn)行了仿真重演。文獻(xiàn)［12］以某次實際高壓脫網(wǎng)為例，通過分析并網(wǎng)點電壓、輸出功率和無功功率補償三者之間的關(guān)系，證明在恒功率特性下風(fēng)電機(jī)組投入無功補償裝置會使風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓升高，最后通過仿真驗證了其理論的有效性。文獻(xiàn)［13］通過對風(fēng)電場現(xiàn)場所用典型補償裝置的性能進(jìn)行對比分析，為解決低/高電壓穿越提出了解決思路。文獻(xiàn)［14］針對常規(guī)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(tǒng)檢測方法的缺點，有助于制定高電壓穿越的應(yīng)對策略。

3.2 改進(jìn)的控制策略

3.2.1 控制器控制

文獻(xiàn)［15］針對連鎖脫網(wǎng)事故時雙饋風(fēng)機(jī)連續(xù)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(gòu)成:正常運行時的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)電流控制器。仿真結(jié)果表明該控制方案能有效限制轉(zhuǎn)子過電流和直流母線過電壓，符合雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越和高電壓穿越的規(guī)范要求。文獻(xiàn)［16－17］研究了雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓驟升時的暫態(tài)過程和控制方案，提出用增強滯環(huán)控制器和諧振控制器替換傳統(tǒng)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(xiàn)［18］分析了電網(wǎng)電壓驟升下DFIG的電磁暫態(tài)過程，提出了基于變阻尼的轉(zhuǎn)子勵磁控制策略來應(yīng)對不同轉(zhuǎn)速和驟升幅度的情況，有效抑制了轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊。文獻(xiàn)［19］分析了電網(wǎng)電壓不對稱驟升下DFIG的電磁暫態(tài)過程，提出了基于虛擬電阻的控制策略，對抑制轉(zhuǎn)子側(cè)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(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)［20］分析了電網(wǎng)電壓驟升下DFIG的轉(zhuǎn)子電流電磁暫態(tài)過程，給出了由虛擬電阻演變而來的虛擬阻抗的改進(jìn)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(xiàn)［21］研究了電網(wǎng)電壓驟升時對直流母線的影響，在此基礎(chǔ)上提出了柔性控制策略，可降低背靠背轉(zhuǎn)換器功率損耗。文獻(xiàn)［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(xiàn)［23］針對近年來頻繁發(fā)生在現(xiàn)場的低/高電壓連鎖故障原因進(jìn)行了分析，對現(xiàn)場的無功補償裝置的響應(yīng)速度進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)經(jīng)實踐考證對低/高電壓穿越問題的研究具有重要的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)［24］在分析連鎖脫網(wǎng)事故機(jī)理的基礎(chǔ)上對其進(jìn)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(dá)到了保護(hù)風(fēng)機(jī)的目的。文獻(xiàn)［25－26］在常規(guī)能源電網(wǎng)中對高電壓問題進(jìn)行了研究，提出通過加入無功補償裝置來提高電網(wǎng)的高電壓穿越能力。文獻(xiàn)［27］對電網(wǎng)電壓在驟升故障下網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的功率約束關(guān)系及兩變換器功率適配規(guī)則進(jìn)行了分析與探討，提出了動態(tài)無功支持的控制方案，通過在故障時向電網(wǎng)輸出一定的感性無功來提高高電壓穿越能力。文獻(xiàn)［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(cè)加入Crowbar限制直流母線電壓從而保護(hù)直流母線電容，最后提出通過無功補償保護(hù)風(fēng)機(jī)，并給出了DVR和STATCOM兩種無功補償?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［29］在分析電網(wǎng)電壓驟升暫態(tài)特性的基礎(chǔ)上，在直流側(cè)加入Crowbar，采用滯環(huán)控制，有效抑制了電壓驟升時轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的升高。

3.3.2 增加組合保護(hù)電路

文獻(xiàn)［30］提出了一種組合保護(hù)方案(CPS)，通過在電壓驟升時對雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率控制，保證了風(fēng)機(jī)在電壓驟升時的不間斷運行。文獻(xiàn)［31］在動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)的基礎(chǔ)上加入超級超容器(SC)，形成基于SC的DVR協(xié)調(diào)控制策略。通過在故障期間對端口電壓進(jìn)行補償，減少了DFIG的有功輸出，實現(xiàn)了對稱和不對稱故障下 ZVRT、LVRT和HVRT。

3.4 其他方法

文獻(xiàn)［32］提出了一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)方案，即直流側(cè)通過斬波電路限制電壓升高，網(wǎng)側(cè)通過變流器調(diào)節(jié)最大無功電流，仿真試驗證明了該技術(shù)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(fēng)電研究領(lǐng)域的一個重要方向，可以從以下幾個方面進(jìn)行研究:

1)在連鎖脫網(wǎng)事故中，為了在電網(wǎng)電壓跌落時提高系統(tǒng)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(diào)整電壓的能力以及不能夠快速及時切除，往往導(dǎo)致了非常明顯的容升效應(yīng)，使得大量過剩的無功涌入電網(wǎng)，抬升了系統(tǒng)電壓。因此，如何合理安排無功支撐需要引起關(guān)注。

2)在分析電壓驟升時雙饋式風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性過程中，假設(shè)電機(jī)磁路是非線性的，并忽略電壓升高所導(dǎo)致的激磁電感下降和電機(jī)磁路飽和問題，分析該故障對系統(tǒng)帶來的影響就具有局限性，這一點應(yīng)值得關(guān)注。

3)針對雙饋風(fēng)機(jī)的缺點以及連鎖脫網(wǎng)事故的根源，研發(fā)一種既具備雙饋型風(fēng)機(jī)優(yōu)點又具備全功率型風(fēng)機(jī)優(yōu)點的新型風(fēng)機(jī)，對于抑制大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)過電壓，將會是未來風(fēng)電研究領(lǐng)域的熱點。

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