双馈风电发电机组高电压穿越的研究现状

师 磊，吴国防，焦东宏2，李现伟

(1.华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450011；2.山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 运城 044000)

0 引言

随着风电装机容量逐年增加，风能自身的随机性、波动性导致电网的调峰、调压、调频以及电能质量方面面临巨大的挑战，对电网安全运行提出更高的要求[1-2]。根据电网公司的电网事故的统计情况，电网由于某种原因导致电压出现严重故障时，将引起风力发电机大面积脱网运行，不单是电网电压跌落，电网电压骤升现象已经构成了影响风电机组安全运行的重要因素之一[3-4]。

目前关于风电机组高电压穿越要求的国家标准亟待出台：①并网点电压升高至130%UN时保持不脱网运行100 ms的能力。②并网点电压升至125%UN时保持不脱网运行1 000 ms的能力。③并网点电压升至120%UN时保持不脱网运行2 000 ms的能力。④并网点电压升至115%UN时保持不脱网运行10 ms的能力。⑤并网点电压升至110%UN时保持不脱网运行的能力[5]，如图1所示。

1 高电压穿越暂态特性研究现状

与传统的同步发电机结构相比，双馈感应发电机的结构特殊，故导致其故障暂态特性也不同，且在DFIG高电压穿越问题中，定子磁链的动态过程造成转子感应电动势的变化，反电势又会对转子电流产生影响，是造成转子过电压和过电流的主要原因，对DFIG电磁暂态全过程的准确分析是实现高电压穿越运行的基础和依据[6]。

文献[7]从DFIG数学模型出发，运用解析运算方式对故障时电机的电磁暂态过程进行详细的推导和深入分析，并借助叠加原理和拉普拉斯变换方法逐步推导出电机定、转子磁链和电流的解析式。文献[8]论证了双馈风电机组1.3倍额定电压的高电压穿越过程全程可控的可行性。提出了一种基于双馈变流器动态无功控制的高电压穿越控制策略和风电机组主控系统与变流器协同控制完成高电压穿越的实现方法；文献[9]在分析电网电压不对称骤升时双馈感应发电机暂态特性的基础上，从最大限度吸收电网无功功率角度出发，提出适用于采用串联网侧变换器的双馈风力发电系统的不对称高电压穿越控制策略，并对该系统的可控能力进行分析。但未对电磁暂态过进行详细研究；文献[10]建立了双馈风力发电机组短路电流计算的等效模型，用来描述DFIG在故障期间的动态过程；文献[11，12]分析了电网电压对称骤升故障和不对称骤升故障下的DFIG瞬态转换过程，在此基础上，评估了影响高电压穿越运行的因素，但都未涉及电网电压恢复后定子磁链的动态变化。

图1 风电机组高电压穿越测试规程具体标准

以上文献虽然从不同的角度研究了DFIG的点瑕疵暂态特性，但都是集中在电网电压出现故障期间，并未详细地分析故障切除后DFIG定子磁链的动态变化过程，且很少有专家学者对电网电压不对称骤升故障和恢复过程中的定子磁链暂态特性进行研究。

2 高电压穿越控制策略研究现状

分析国内外专家学者对DFIG高电压穿越控制策略的研究现状，主要分为两大类。

1)改进自身的控制。文献[13] 提出了一种基于Q-V控制和卸载控制的双馈感应电机(DFIG)的基于P-Q协调的高压穿越控制(HVRT)策略，可以在瞬变过程中与DFIG的快速有功功率控制相配合灵活地扩展DFIG的无功功率极限，从而可以有效地抑制直流双极型块引起的瞬态过电压；文献[14] 提出了基于结构分散理论的双馈风力发电机励磁双馈控制模型。在此模型中，通过设计同步旋转坐标系的d轴和q轴自适应终端滑模控制器，可以提高并网风电场的高压穿越能力；文献[15]从电网电压骤升幅度的角度，分析了DFIG 网侧换流器的控制能力，保证网侧换流器具有可控性；文献[16-18]研究了电网电压骤升时，风电系统中换流器有功功率和无功功率的关系，提出考虑动态无功支撑的高电压穿越控制策略；文献[19]分析了高电压现象产生的主要原因，提出了一种改进的控制策略，用于参与基于电网电压变化的系统动态无功功率调节。

改进的控制策略在某种程度上提高了高电压穿越能力，但是对电机参数的鲁棒性弱，无法较好的实现高电压穿越运行。

2)附加硬件电路。文献[20]提出了一种超级电容器储能单元(SCESU)，该储能单元与背靠背转换器的直流母线并联连接，以提高其高压穿越性能；文献[21]采用 STATCOM 来吸收电网电压骤升时产生的过剩无功功率，以此降低电网电压；文献[22]根据串联的 GSC 用于根据定子端电压灵活和可控特性，当电网电压对称上升时，发电机定子电压保持不变，以此实现高电压穿越；通过附加的直流卸荷电路和撬棒保护电路消耗系统多余能量的附加硬件电路也在 DFIG 高电压穿越中得到广泛应用。

附加电路能够弥补了改进控制策略的不足，但额外的电路增加了机组的设计难度和制造成本，难以大规模运用。

3 结语

本文详细分析了国内外专家学者对双馈风力发电机组的暂态特性和高电压穿越的控制策略，为后期研究本课题提供了理论基础。