大电网末端风力发电系统故障穿越关键技术刘文龙

大电网末端风力发电系统故障穿越关键技术刘文龙

刘文龙

华电福新能源股份有限公司蒙东分公司内蒙古通辽028000

摘要：本文通过分析高渗透率的风力发电大电网末端电网的特性以及其运行效果，来分析了解大电网末端风力发电系统故障穿越关键技术。通过规定的检测标准以及相关要求，对大电网末端风电并网经常出现的故障特性进行了深入探讨，对于直驱及双馈风电机组故障的穿越关键技术与相关控制方法进行了研究；根据结合仿真实验以及具体的检测结果，得出了大电网末端直驱风力发电机高电压的穿越能力以及双馈机组低电压穿越存在可行性的结论，并且找到了风电机组故障穿越的相关隐患，利于大电网的运行稳定。

关键词：故障穿越；风电系统；电压波动；chopper电路；无功功率；

一、大电网技术领域概括

随着社会的发展，人们对于电力系统的要求逐渐提高，电力系统逐渐向容量、大、距离远、耗能低以及少量占地具有经济效益的方向发展。目前存在我国的能源分布与实际使用情况严重不符的现象，国家电网根据此现象制定了相关策略，例如加强对高压输电通道的建设等一系列适用于国家实情的电力发展方式，从而起到保障用电与满足经济的需求。在我国，风力资源以及光能资源较丰富，尤其是我国的大电网末端的风力发电与光伏发电技术使用较多。

大电网的跨区域建设存在一定难度，对于电网运行需要更高的安全性与可靠性。我国的西北电网位于大电网末端，因地处风力资源丰富地区，其使用风力发电技术较多。根据我国《甘肃省“十二五”新能源和可再生能源发展规划》的相关规定，为满足用电需求，本省到2017年之前的风电装机总量需达到3700万kW之上，对于太阳能发电装机总量需达到1600万kW以上。目前，国内外对于风力发电机组低电压穿越技术特性研究较多，但是对于高电压穿越特性的研究还存在较大缺口。当电网产生电压跌落现象时，电网网侧的变流器将会发生过电流现象，此时为发张网侧IGBT的安全，就需要对变流器采取限流的措施，然而直流侧母线电压将会产生过电压的情况。在发生故障的过程中，桨距角调节系统发生故障的动态响应时间很快，一般情况下能够达到几百毫秒，所以，对于电网故障发生在较短时间的情况时，难以通过变桨系统来保障变流系统的安全。下文根据此情况做出了相关的技术分析以及解决对策。

二、风电系统标准对故障穿越能力的要求

造成电压波动产生故障的因素有许多，若是当电网故障中电网电压的抬升与降低数值不一致时，其持续时间也就不同。因为当前每个国家对于电网运行的稳定性规定不同，所以对风力发电机系统故障穿越技术的要求也就不一样。这样一来，不同的国家需要通过风机故障穿越的能力的要求，针对性的制定相应的国家电网故障穿越的标准。根据《国家电网公司风电场接入电网技术规定》对LVRT提出的要求，目前的风力发电机高电压穿越技术未达到应有的要求。目前在西班牙与澳大利亚等具有丰富的风力资源的国家，对于本国的电网体系制定了一系列的标准体系，以保障电网的安全运行。

三、风力发电机组的拓扑结构及其工作原理

随着直驱风力发电机的不断发展，目前的直驱风力发电机主要由不控整流、Boost、逆变器等结构组成。发电系统中的风力机直接发电机转子发生耦合，发电机产生交流电，电流、电压和频率会根据叶轮发电机转速产生不同的变化。所以，在发电系统送入电网前的交流电可以通过变频器进行恒定频率的转换，通过调节输出的有功功率和无功功率，来改变逆变器中IGBT的工作状态，以此达到其最大功率跟踪，从而能够更加有效的利用风力资源。

因为双馈风力发电机定子采取直接挂在电网上使用，电网电压会因为实时的情况造成风力发电机产生输出的波动情况。双馈风力发系统组成部分主要有齿轮箱及变频器，其发电结构与直驱风力发系统相比更加复杂。

四、风力发电系统故障穿越的控制研究

下文对于直驱风电机组、双馈风电机组故障穿越技术进行了相关分析。在Pscad中建立单机无穷大系统。

将永磁直驱风电机组按顺序经35kV线路、330kV线路接入到无穷大系统中，其中35kV线路运用π模型，其长度为50km；330kV线路运用贝瑞隆模型，其长度为100km。此系统针对集电线路、风电机组出口与并网线路中常出现的一系列故障进行了1：1模拟。并分别对风电机组出口、330kV线路风电机组侧母线处进行实时测量，其具体情况见图1、2。

图1

图2

从图3、4能够了解到，当0.8s，电网侧电压出现了骤升情况，但是网侧电流并未出现大的冲击电流，当1.00s时，电网电压回到正常标准，并且，网侧电流回归正常标准，系统达到稳定运行，所以能够得出风电机组高电压穿越的可行性的结论。

一般情况下，当系统单相接地发生故障时，非故障相会产生暂时过电压的情况；系统源、荷出现不匹配的情况，负荷出现突然降低现象，SVC与SVG的投切出现故障；系统可控串补、大型电容器开通与关断等都会导致电网电压过高。当风力发电系统馈线电压过高时，导致风力发电系统变频器直流母线电压升高，以至于产生直流侧电压拆过上线的情况，进而造成直流侧保护系统出现损坏，最终造成系统崩溃的现象。所以，在网侧电压出现大幅上升情况时，系统需要采取chopper电路的保护措施，当发生故障时，应投切卸荷电路，从而解决系统功率的不平衡故障。当系统正常运行时，变频器直流母线电压基本保持平衡，制动电路不起作用，当电网故障时，直流侧两边功率不平衡，电压骤升，投入制动电路，也就是通常所说的chopper电路，消耗直流侧多余能量，抑制直流侧电压过高，保证电网运行可靠。

五、结束语

在当今时代，人们对于电力的需求逐渐增加，为了达到用电需求以及更好的经济需求，需要对于大电网末端风力发电系统故障穿越关键技术进行更加深入的应用，也是电力系统在不断发展过程中所必须要应用到的，所以我们更加需要不断钻研，在实际中去应用，进一步的完善电力系统。

参考文献：

[1]李晖.大电网末端风力发电系统故障穿越关键技术[J].高压电器，2017

[2]王伟.电网电压跌落下双馈风电机组运行控制与保护研究[D].哈尔滨工业大学，2013