風(fēng)力發(fā)電故障穿越技術(shù)綜述

劉文洲，王思遠(yuǎn)，李 寧，西燈考，楊 賀，劉 巡

(1.長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春 130012； 2.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春130012)

0 引言

人類社會(huì)的快速發(fā)展引發(fā)了一系列問題，當(dāng)今最突出的兩個(gè)是環(huán)境問題和能源問題，因此各國政府都開始尋求新能源來替代傳統(tǒng)的化石能源。風(fēng)能作為一種廣泛分布的能源，受到了更多的重視。然而，隨著越來越多的風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃建設(shè)，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量也越來越大，已經(jīng)在電網(wǎng)中占據(jù)一定的比重，但是，若電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不能像火電、水電等傳統(tǒng)的發(fā)電廠那樣向電網(wǎng)提供功率和頻率的支持，而是直接脫網(wǎng)，這將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和頻率的震蕩甚至崩潰，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。所以，我們要求電網(wǎng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不能任意退出運(yùn)行，而是需要其參與到故障后電網(wǎng)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，對(duì)電網(wǎng)提供支撐，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)的故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓的驟降與驟升，目前，各國都已推出了相應(yīng)的規(guī)范來約束提高風(fēng)電機(jī)組的故障適應(yīng)能力。由于電網(wǎng)電壓驟降故障較為常見，因此學(xué)者們對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力研究較為深入，而高壓穿越能力正處于研究階段，將來各國也會(huì)出現(xiàn)較為完備的規(guī)范。下文將針對(duì)以上概念和問題進(jìn)行詳細(xì)論述，以期為后續(xù)研究明確方向。

1 電網(wǎng)電壓跌落原因及低壓穿越

低壓穿越即當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠在一定的電壓跌落范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[2]。

1.1 電壓跌落的原因

瞬態(tài)電網(wǎng)電壓跌落故障的發(fā)生一般是由短路引起的，跌幅為10%～90%，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)電網(wǎng)周期～幾min。造成這種短路的原因：

1)元件損壞：絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)安裝及維護(hù)不良造成設(shè)備故障進(jìn)而引發(fā)短路；

2)氣象條件惡化：由于霧霾等原因造成絕緣表面臟污發(fā)生污閃，雷擊造成閃絡(luò)放電，架空線由于大風(fēng)或表面覆冰導(dǎo)致桿塔倒塌等；

3)違規(guī)操作：運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路檢修后未拆除地線便供電等；

4)其余原因：挖溝損傷地下電纜、鳥獸跨接在無絕緣線路兩相之間等。

由此可見，引起低電壓故障的原因有很多，在電力系統(tǒng)中，電壓跌落現(xiàn)象很常見而且時(shí)有發(fā)生。

在三相系統(tǒng)中，根據(jù)短路發(fā)生的相數(shù)和接地與否大致可以分為如下幾種短路故障：單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地、三項(xiàng)短路[3]。表1列出了各種故障類型以及發(fā)生的概率。

由表1中可以看出，單相接地短路故障發(fā)生的概率最高，這種短路危害相對(duì)最小，三項(xiàng)短路故障發(fā)生的概率最低，這種短路對(duì)電力系統(tǒng)危害最大。

表1 電網(wǎng)短路類型發(fā)生概率

1.2 電壓跌落對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響

由于雙饋機(jī)組定子直接和電網(wǎng)相連，所以電網(wǎng)發(fā)生低壓故障后將直接對(duì)電機(jī)的定子端產(chǎn)生影響。在發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于定子磁鏈不可能發(fā)生突變，在故障發(fā)生的瞬間每相將激生一個(gè)直流分量，在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)還會(huì)激生出負(fù)序分量。這兩種分量的存在將造成旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中電壓和電流升高，若不采取措施限制升高的電壓和電流，將對(duì)雙饋機(jī)組造成破壞。

1.3 各國對(duì)低壓穿越的規(guī)定

1.3.1 美國

風(fēng)電場(chǎng)必須具有在電壓跌至15%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力；風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行(任何時(shí)間，只要電壓值不低于圖中的電壓曲線)。繪出其圖形如圖1所示：橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

圖1 美國風(fēng)力發(fā)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 德國

有功輸出在故障切除后立即恢復(fù)并且每秒鐘至少增加額定功率的20%。陰影區(qū)域中，有功功率每秒鐘可以增加額定功率的5%；電網(wǎng)故障時(shí)，機(jī)組必須能夠提供電壓支持。如果電壓降落幅度大于機(jī)端電壓均方根值的10%，機(jī)組必須切換至支持電壓。機(jī)組必須在故障識(shí)別后20 ms內(nèi)通過提供機(jī)端無功功率進(jìn)行電壓支持，無功功率的提供必須保證電壓每降落1%的同時(shí)無功電流增加2%。繪出其圖形如圖2所示。

圖2 德國風(fēng)力發(fā)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 丹麥

故障穿越要求規(guī)定，三相故障從標(biāo)稱電壓的20%～75%開始，持續(xù)10 s；風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)在電壓重新到達(dá)90%以上后，不遲于10 s發(fā)出額定功率；在電壓恢復(fù)到90%后，應(yīng)在不遲于10 s內(nèi)滿足與電網(wǎng)的無功功率交換要求。電壓降落期間，風(fēng)電場(chǎng)必須盡量發(fā)到風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)稱電流1.0倍的無功電流。圖3所示是丹麥故障穿越標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 丹麥風(fēng)力發(fā)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

除此之外，丹麥還規(guī)定了雙重電壓降落特性，規(guī)定要求兩相短路100 ms后間隔300 ms再發(fā)生一次新的100 ms短路時(shí)不脫網(wǎng)；單相短路100 ms后間隔1 s再發(fā)生一次新的100 ms電壓降落時(shí)要求也不脫網(wǎng)。

1.3.4 中國

我國2009年出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力；風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。如圖4所示[4]。

圖4 中國風(fēng)力發(fā)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

1.4 低壓穿越實(shí)現(xiàn)方案

針對(duì)雙饋機(jī)組的低壓穿越方案已有大量研究，提出的技術(shù)方案主要可以分為兩種：一種是改進(jìn)控制策略；另一種是改進(jìn)硬件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。

1.4.1 改進(jìn)控制策略

方案1：通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行定向，用轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電流來抵消掉轉(zhuǎn)子磁鏈中多余的成分；

方案2：把魯棒控制中的H∞和μ-analysis技術(shù)應(yīng)用到變流器控制當(dāng)中；

方案3：通過對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器傳統(tǒng)的電壓、電流雙閉環(huán)的矢量控制策略加以改進(jìn)，把靜止無功補(bǔ)償器的控制策略加入其中。

1.4.2 改進(jìn)硬件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路：當(dāng)電網(wǎng)電壓大幅驟降時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)可能會(huì)產(chǎn)生過電流，為消耗掉多余的能量，在轉(zhuǎn)子側(cè)串接電阻構(gòu)成耗能回路，此電路被稱為Crowbar電路。應(yīng)用于低壓穿越的Crowbar電路均利用SCR、IGCT、IGBT等可關(guān)斷開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)自由控制，其結(jié)構(gòu)分為兩種：三相可關(guān)斷開關(guān)結(jié)構(gòu)和二極管整流加IGBT結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

直流側(cè)Chopper電路：在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障后，雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)將會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，將給直流側(cè)電容充電，使直流母線電壓升高，Chopper電路可以將多余的能量消耗，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。Chopper電路由全控電力電子器件(一般為IGBT)和耗能電阻構(gòu)成，圖6所示為Chopper電路在雙饋機(jī)組中的連接方式。

(a)三相可關(guān)斷開關(guān)結(jié)構(gòu)

(b)二極管整流加IGBT結(jié)構(gòu)圖5 主動(dòng)型Crowbar裝置結(jié)構(gòu)

圖6 Chopper電路結(jié)構(gòu)

雖然解決方法種類很多，但是各有利弊。從兩種大的分類來看，雖然改變控制策略的方法具有節(jié)約成本、簡單易行的優(yōu)勢(shì)，但是這種方法受到定子和轉(zhuǎn)子漏感的影響，漏感越大補(bǔ)償能力越強(qiáng)，反之越弱；改變硬件電路的方式會(huì)增加成本投入，而且在保護(hù)電路投入運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成雙饋機(jī)組的短時(shí)失控。所以，有必要將兩種控制方式結(jié)合起來，保證較好的低壓穿越能力的同時(shí)，確保雙饋機(jī)組的安全。

2 電網(wǎng)電壓驟升的原因及高壓穿越

高壓穿越即當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，在一定的過電壓范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

2.1 電壓驟升的原因

電網(wǎng)電壓驟升一般是由于無功功率過剩導(dǎo)致的?？梢詫?dǎo)致無功功率過剩的原因，主要有以下4種：1)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，導(dǎo)致非故障相的電壓升高；2)大功率用電設(shè)備突然斷路；3)電流波動(dòng)導(dǎo)致的電壓升高；4)大容量容性無功設(shè)備的投入。

在風(fēng)電場(chǎng)中，并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟升往往發(fā)生在電壓驟降之后。在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障后，會(huì)導(dǎo)致一些沒有低壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)的過程中，一些具有低壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組會(huì)向電網(wǎng)提供無功支持，無功補(bǔ)償裝置也會(huì)對(duì)電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償，而由于控制系統(tǒng)的滯后性和無功補(bǔ)償裝置無自動(dòng)投切功能，將導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)無功過剩，進(jìn)而使得風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高，由于風(fēng)電機(jī)組不具備高壓穿越能力，將會(huì)導(dǎo)致那些經(jīng)過低壓穿越的機(jī)組脫網(wǎng)，使事故擴(kuò)大，造成嚴(yán)重后果[6]。

2.2 高壓穿越現(xiàn)狀

目前高壓穿越技術(shù)還處于研究當(dāng)中，不如低壓穿越成熟。澳大利亞首先制定了具有真正意義的高壓穿越導(dǎo)則，該導(dǎo)則規(guī)定高壓側(cè)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的130%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)維持60 ms而不脫網(wǎng)，電網(wǎng)電壓從額定值的130%回到額定值的110%時(shí)機(jī)組需要不間斷運(yùn)行900 ms并提供足夠大的故障恢復(fù)電流[7]。這一要求完全可以抵御過電壓故障。圖7所示為澳大利亞的高壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 澳大利亞高壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

美國WECC并網(wǎng)導(dǎo)則要求，在電網(wǎng)電壓升高到120%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有并網(wǎng)運(yùn)行1 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至118%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有并網(wǎng)運(yùn)行2 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至115%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有并網(wǎng)運(yùn)行3 s的能力；在電網(wǎng)電壓升高至110%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有持續(xù)并網(wǎng)的能力。圖8所示為美國WECC高壓穿越導(dǎo)則。

我國在高壓穿越方面也在積極制訂標(biāo)準(zhǔn)，2017年國家能源局制訂了《風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越測(cè)試規(guī)程》，今后有望成為我國的高壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)程規(guī)定：風(fēng)電機(jī)組具有在測(cè)試點(diǎn)電壓為130%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行200 ms的能力；風(fēng)電機(jī)組具有在測(cè)試點(diǎn)電壓為125%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行1 s的能力；風(fēng)電機(jī)組具有在測(cè)試點(diǎn)電壓為120%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行2 s的能力；風(fēng)電機(jī)組具有在測(cè)試點(diǎn)電壓為115%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行10 s的能力；風(fēng)電機(jī)組具有在測(cè)試點(diǎn)電壓為110%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力。圖9所示為我國擬發(fā)布的高壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 美國WECC高壓穿越導(dǎo)則

圖9 中國擬發(fā)布的高壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

2.3 高壓穿越實(shí)現(xiàn)方案

關(guān)于高壓穿越的解決方案也可分為兩類，即改進(jìn)控制策略和改進(jìn)硬件電路。

2.3.1 改進(jìn)控制策略[8]

方案1：在風(fēng)電機(jī)組不同階段采取不同的控制方式。在正常情況下采用PI控制，在過電壓故障時(shí)變流器采用基于滯環(huán)電流的矢量控制策略；

方案2：通過把諧振控制器加入到傳統(tǒng)PI控制器當(dāng)中，從而組成PI-R這種結(jié)構(gòu)的控制器，在電網(wǎng)電壓上升時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的抑制有一定作用；

方案3：直流母線電壓隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)的控制策略，在電網(wǎng)電壓升高或者降低時(shí)相應(yīng)的調(diào)整母線電壓的大小，減小了電網(wǎng)電壓對(duì)變流器的沖擊。

2.3.2 改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)[9]

方案1：在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，也會(huì)伴隨著直流側(cè)電壓的驟升，因此也需要在變流器直流側(cè)增加Chopper電路，以抑制電網(wǎng)電壓驟升可能導(dǎo)致的網(wǎng)側(cè)變流器能量逆向流動(dòng)而引起的變流器直流側(cè)電壓上升；

方案2：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器串聯(lián)電阻以抑制轉(zhuǎn)子過流的方案，從而避免了機(jī)側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時(shí)因撬棒電阻的投入而失去對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，并能夠在故障期間持續(xù)對(duì)電網(wǎng)提供無功支持，減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)；

方案3：電網(wǎng)電壓驟升時(shí)采用靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的方案。

在電網(wǎng)電壓驟升的情況下，必須要確保風(fēng)電機(jī)組自身具有較好的高壓穿越能力，同時(shí)也需要配合其他手段，更好地實(shí)現(xiàn)高壓穿越能力，例如硬件電路解決方案中的方案一與方案三結(jié)合，在風(fēng)電機(jī)組處利用直流側(cè)Chopper電路對(duì)機(jī)組進(jìn)行保護(hù)，在并網(wǎng)點(diǎn)處加裝靜止同步補(bǔ)償器來調(diào)整并網(wǎng)點(diǎn)電壓，從而達(dá)到較好的高壓穿越效果，以雙饋機(jī)組為例，畫出其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 雙饋機(jī)組機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)聯(lián)合控制的高壓穿越硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

上文對(duì)低、高壓穿越技術(shù)進(jìn)行了詳盡的介紹，并且根據(jù)雙饋機(jī)組的情況選擇出相應(yīng)的辦法解決低、高壓穿越問題。通過前文分析，無論低壓穿越還是高壓穿越，都不希望雙饋機(jī)組在故障穿越過程中出現(xiàn)不可控的時(shí)間，為此，最佳的控制方案是確保轉(zhuǎn)子側(cè)Crowe-bar保護(hù)電路和直流側(cè)Chopper電路在穿越過程中不動(dòng)作或盡可能地減少投入時(shí)間。因此，在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)研究一種控制算法，以滿足新提出來的硬件結(jié)構(gòu)，來保證在故障穿越過程中，縮短保護(hù)電路投入時(shí)間或者不會(huì)觸發(fā)雙饋機(jī)組的保護(hù)電路。

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