风力发电高电压穿越控制方法

风力发电高电压穿越控制方法

任文虎

甘肃省特种设备检验检测研究院  甘肃省兰州市   730050

摘要：风力发电机组的故障穿越能力是国内外都十分关注的重点，其中低电压穿越技术已经日趋成熟并逐渐应用到实际的风电场运行中。由于风力发电机组所在的电网存在无功过剩以及无功补偿装置投切迟滞等问题，导致风力发电机组中存在高压脱网问题。为保障风力发电机组稳定运行，必须加强风力发电机组高电压穿越技术的研究力度，进一步提升风力发电机性能，尤其是风力发电机组的高电压穿越能力。

关键词：风力发电机；高压电；穿越技术

引言

近年来，随着对环境保护的有关政策措施不断加强，以新能源为基础的发电方式开始受到越来越多的关注。随着配电网中风电并网比例的不断提高，对电网运行的稳定性和安全性提出了更高的要求。在此基础上，为了保障电力系统能够实现稳态运行，部分国家和地区相继出台了关于风电并网的行为规范。其中，为了能够实现对异常风电电压故障的有效防御，对电压穿越能力进行了明确要求。对电压穿越能力进行细化分析，其可以分为低电压穿越和高电压穿越2种。在电压发展初期，低压是困扰配电网运行状态的主要问题，因此对其有关研究开展较早，在长期的研究过程中，大部分问题已经能够得到有效解决。但是随着近年来配电网环境的不断发展，风电高电压问题表现得越来越突出。本文提出风力发电高电压穿越控制方法，并通过试验分析验证了设计方法在实际情况中的应用效果。

1双馈风电机组低电压穿越技术必要性

对风电并网进行研究的过程中，需要立足于我国的实际情况。虽然我国的风能资源是非常丰富的，但分布不均匀，我国的陆地风能大多集中在陕北地区及一些东南沿海地区。我国的风电场早期大多建立在三北地区。我国的发达地区大多集中在东南沿海地区，导致了电网与负荷的中心距离较远。基于此，在发展风电的过程中，输送的稳定性时常受到一定程度的影响。为了能够确保电网的稳定运行，我国对于一些大型的风电场提出了符合安全运行的并网规范，比如对风电机组在低电压穿越时的运行能力以及波形畸变程度等作出了规定。双馈式风力发电机组的结构特殊，对于电网本身的变化比较敏感，更容易受到电网的影响，在电网故障时的穿越能力下降。因此，需要不断完善双馈风电机组低电压穿越技术，制定相应的标准，适应电网的快速变化。

2风力发电高电压穿越控制方法

2.1新型大容量调相机与变流器协同的高电压穿越控制策略

相对于电压跌落时的低电压穿越技术而言，目前关于双馈风机的高电压穿越问题的探讨较少。电网电压骤升将给双馈风机自身绝缘带来较高风险，同时电压骤升期间风机内部的暂态过程也将引起过电压和过电流，这将危及风机的安全稳定运行。由于我国能源与负荷中心距离较远，许多大规模风电场经直流传输线路并网，直流送受端故障导致的直流闭锁、换相失败很容易引起送端风电场电压升高。一些文献在双馈风机自身基础上增加控制策略及算法来提高其高电压穿越能力，但电压上升幅度较高时仅靠自身控制效果颇为有限。也有一些研究通过在风电场出口侧部署动态无功补偿设备来提高严重故障时期风电机组高电压穿越能力，但由于硬件设备的投入，投资成本会相应地增加。在故障暂态期间控制风机参与无功调节，能最大限度利用风电场无功调节能力，在一定程度上减少动态无功补偿装置的投资。在故障消除后或进入故障后稳态时，风机停止参与无功调节，便于系统恢复时期风机能够快速进入正常工作状态。利用双馈风机和无功补偿装置在不同时间尺度下的无功协调，能实现不同故障严重程度下的高电压穿越，并减小故障期间的电压波动。

2.2基于PMSG的高电压穿越控制策略分析

直驱永磁同步风电机组通过全功率背靠背变流器与电网相连，机侧变流器控制电机转速或转矩实现风能的最大功率跟踪，网侧变流器主要稳定直流母线电压并控制并网功率因数和电能质量。若在风力发电机组运行过程中电压升高，会导致变流器直流母线中功率不平衡，从而引起直流母线的电压超限，最终影响甚至阻碍风电机组稳定安全运转。由于永磁同步发电机通过变流器与电网完全隔离，当电网出现电压骤升故障时首先受影响的是网侧变流器，发电机被动接收机侧变流器扰动影响。然而，网侧变流器与机侧变流器通过直流电容耦合，因此保持直流母线电压的稳定是直驱风电机组在电网电压骤升时不脱网运行的前提条件，要对机侧变流器进行控制，就应该充分考虑直流段输入有功，将其适当降低以保证直流母线电压在限定范围内。当前风力发电机组的高电压穿越可以采用有功电流iqs补偿限制风力发电机组的电磁转矩，可有效地控制直流侧母线电压不超限，这种方式实际是PMSG控制的高电压穿越技术，即在风力发电机组电网电压骤升幅度小于1.1pu时风力发电机组能够保持稳定运行，但当该值超过1.1pu时会进行q轴电流参考值修订，网侧变流器进行切换实现高电压穿越。

2.3转子保护技术

转子保护技术是风电系统中最为常见的一种技术。在使用转子保护时工作人员还需要借助硬件电路，才能够确保该技术的顺利运行。详细来说，该技术使用的过程中，主要把保护转子的电路装置放置在发电机转子的一边，需要利用定向的方式来为转子这一方向的电路提供通道。在这一过程之中，如果工作人员发现电网出现了问题，甚至发生了电网跌落的情况，那么双馈感应的发电机也会产生一系列反应，比如常见的闭锁反应是为了很好地保护电力装置。另外，在励磁变流器中，由于电流以及转子的影响，能够产生一种良好的电压保护效果，使发电机完成不脱网运行的状态。在实际运行的过程中，双馈感应发电机利用了相关的技术原理以及模式来确保整个电机运转的安全性。在设计双馈式风力发电系统的电路时主要有两种结构：一是基于混合桥型的Crowbar电路；二是基于IGBT型的混合桥型的Crowbar电路。这种电路最为主要的一个作用就是对变频器进行保护。在Crowbar运行的过程中，双馈发电机以及电网都能够在更为稳定与安全的状态下运行。在发电机组处于并网运行时，相应的检测系统会依据所接入电网的实际需求，对电压的数值进行调整。利用额定电压的百分比，一般能够实现对于电压等级的定义处理。不过，从业人员还需注意，如果电网内的电压与设定的数值相比存在着较大的差距，则系统一般就会被判断为低压，相应的检测功能对低压可能产生的各类影响进行判断，避免脱网运行。

结语

1）对双馈风力发电系统的组成进行分析，并对双馈感应发电机在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下数学建模。在理想电网情况下，建立了基于有限集模型预测电流控制的转子侧变流器控制策略，并增加单个采样时间内的电压矢量选择数量，提出了双馈风力发电系统双矢量模型预测电流控制策略，增加候选电压矢量选择范围，提升预测电流值对参考值跟踪精度，有效减少了转矩脉动和电流波动。2）对双馈风力发电系统电压故障发生跌落进行暂态分析，并针对电网电压轻度对称跌落情况，在模型预测控制策略的基础上考虑定子磁链暂态特性，提出计及定子磁链动态特性的改进的双矢量模型预测电流控制，与传统双矢量模型预测电流控制相比，前者考虑了磁链暂态特性，进一步提升模型精度，增大故障下转子励磁电压，有效减小了电压小幅度跌落情况下的冲击电流，改善了故障下系统运行特性。

参考文献

[1]王爱伟，李乐为.风电机组涉网特性改造项目高压穿越技术方案[J].电工技术，2020（2）：54-56.

[2]王思远.MW级大型风力发电机组高压穿越技术研究[D].长春：长春工业大学，2019.