師 磊，吳國防，焦東宏2，李現(xiàn)偉

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)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(fēng)電裝機容量逐年增加，風(fēng)能自身的隨機性、波動性導(dǎo)致電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻以及電能質(zhì)量方面面臨巨大的挑戰(zhàn)，對電網(wǎng)安全運行提出更高的要求[1-2]。根據(jù)電網(wǎng)公司的電網(wǎng)事故的統(tǒng)計情況，電網(wǎng)由于某種原因?qū)е码妷撼霈F(xiàn)嚴(yán)重故障時，將引起風(fēng)力發(fā)電機大面積脫網(wǎng)運行，不單是電網(wǎng)電壓跌落，電網(wǎng)電壓驟升現(xiàn)象已經(jīng)構(gòu)成了影響風(fēng)電機組安全運行的重要因素之一[3-4]。

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

1 高電壓穿越暫態(tài)特性研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)相比，雙饋感應(yīng)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特殊，故導(dǎo)致其故障暫態(tài)特性也不同，且在DFIG高電壓穿越問題中，定子磁鏈的動態(tài)過程造成轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的變化，反電勢又會對轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生影響，是造成轉(zhuǎn)子過電壓和過電流的主要原因，對DFIG電磁暫態(tài)全過程的準(zhǔn)確分析是實現(xiàn)高電壓穿越運行的基礎(chǔ)和依據(jù)[6]。

文獻[7]從DFIG數(shù)學(xué)模型出發(fā)，運用解析運算方式對故障時電機的電磁暫態(tài)過程進行詳細(xì)的推導(dǎo)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(dǎo)出電機定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電流的解析式。文獻[8]論證了雙饋風(fēng)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(tài)無功控制的高電壓穿越控制策略和風(fēng)電機組主控系統(tǒng)與變流器協(xié)同控制完成高電壓穿越的實現(xiàn)方法；文獻[9]在分析電網(wǎng)電壓不對稱驟升時雙饋感應(yīng)發(fā)電機暫態(tài)特性的基礎(chǔ)上，從最大限度吸收電網(wǎng)無功功率角度出發(fā)，提出適用于采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不對稱高電壓穿越控制策略，并對該系統(tǒng)的可控能力進行分析。但未對電磁暫態(tài)過進行詳細(xì)研究；文獻[10]建立了雙饋風(fēng)力發(fā)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(tài)過程；文獻[11，12]分析了電網(wǎng)電壓對稱驟升故障和不對稱驟升故障下的DFIG瞬態(tài)轉(zhuǎn)換過程，在此基礎(chǔ)上，評估了影響高電壓穿越運行的因素，但都未涉及電網(wǎng)電壓恢復(fù)后定子磁鏈的動態(tài)變化。

圖1 風(fēng)電機組高電壓穿越測試規(guī)程具體標(biāo)準(zhǔn)

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

2 高電壓穿越控制策略研究現(xiàn)狀

分析國內(nèi)外專家學(xué)者對DFIG高電壓穿越控制策略的研究現(xiàn)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(yīng)電機(DFIG)的基于P-Q協(xié)調(diào)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(tài)過電壓；文獻[14] 提出了基于結(jié)構(gòu)分散理論的雙饋風(fēng)力發(fā)電機勵磁雙饋控制模型。在此模型中，通過設(shè)計同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸和q軸自適應(yīng)終端滑?？刂破?，可以提高并網(wǎng)風(fēng)電場的高壓穿越能力；文獻[15]從電網(wǎng)電壓驟升幅度的角度，分析了DFIG 網(wǎng)側(cè)換流器的控制能力，保證網(wǎng)側(cè)換流器具有可控性；文獻[16-18]研究了電網(wǎng)電壓驟升時，風(fēng)電系統(tǒng)中換流器有功功率和無功功率的關(guān)系，提出考慮動態(tài)無功支撐的高電壓穿越控制策略；文獻[19]分析了高電壓現(xiàn)象產(chǎn)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(wǎng)電壓變化的系統(tǒng)動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)。

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(shù)的魯棒性弱，無法較好的實現(xiàn)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(zhuǎn)換器的直流母線并聯(lián)連接，以提高其高壓穿越性能；文獻[21]采用 STATCOM 來吸收電網(wǎng)電壓驟升時產(chǎn)生的過剩無功功率，以此降低電網(wǎng)電壓；文獻[22]根據(jù)串聯(lián)的 GSC 用于根據(jù)定子端電壓靈活和可控特性，當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱上升時，發(fā)電機定子電壓保持不變，以此實現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)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(shè)計難度和制造成本，難以大規(guī)模運用。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了國內(nèi)外專家學(xué)者對雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的暫態(tài)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(chǔ)。