风电机组高电压穿越技术研究及现场实测

风电机组高电压穿越技术研究及现场实测

王宇峰

新疆华电苇湖梁新能源有限公司 新疆省乌鲁木齐市 830017

摘要：随着我国甘肃酒泉、内蒙古、新疆哈密等地千万kW级风电基地建成投运，电网安全、稳定、运行及新能源消纳成为了关注的重点。为缓解该地区新能源消纳外送问题，我国分别在甘肃酒泉、内蒙古、新疆哈密建立了酒泉—湖南、哈密南—郑州、锡盟—江苏3条特高压直流输电线路，但是随着特高压直流输电工程的建成、投运，其安全、稳定、运行成为了关注的重点。直流输电工程投运之初，其送端无配套电源投产，电压支撑能力弱，仿真分析与实测结果均表明，在直流换相失败等故障下，存在近区风电暂态过电压脱网问题，且风电出力越大，暂态过压越严重，直流输电能力大幅受限。同时，特高压直流跨区送电工程运行可能发生换相失败或闭锁故障，故障期间未及时退出的滤波器会向电网注入大量无功，造成送端换流站近区暂态电压升高，若新能源场站发电机组不具备高电压穿越能力[，势必将引起大规模的新能源场站脱网事故。

关键词：特高压；新能源；耐高压

1国内外对高电压穿越技术要求和规范

为了提升大电网安全稳定运行能力，世界各国逐步开展新能源机组故障电压穿越能力的研究。各国电网运营龙头企业如澳大利亚能源市场委员会（AEMC）、美国联邦能源管理委员会等，依据大电网组织结构特性，对新能源发电机组高电压穿越能力做出了明确要求。

1.1澳大利亚

澳大利亚首先制定了具有真正意义的风力发电机组高电压穿越能力导则，该导则规定高压侧电网电压骤升至额定电压的130%时，风力发电机组应维持60ms而不脱网；电网电压从额定值的130%回到额定值的110%时，机组需要不间断运行900ms，并保证有充足的故障恢复电流能够支撑过电压故障。

1.2美国

美国风力发电机组并网导则要求，高压侧电网电压骤升至额定电压的120%时，风力发电机组具备连续运行1s不脱网的能力；在电网电压升高至118%时，风力发电机组具备连续运行2s不脱网的能力；在电网电压升高至115%时，风力发电机组具备连续运行3s不脱网的能力；高压侧电网电压骤升至额定电压的110%时，风力发电机组具备连续运行工作不脱网的能力。

1.3中国

我国在风力发电机组高电压穿越方面也在积极制定标准[10-11]，并于2017和2018年分别发布了NB/T31111—2017《风电机组高电压穿越测试规程》和GB/T36995—2018《风力发电机组 故障电压穿越能力测试规程》，其中国标GB/T36995。

2风力发电机组高电压穿越测试

国标要求采用阻容分压式高穿设备进行风力发电机组高电压穿越测试，图3所示为电压升高装置示意图，阻容分压式高穿设备串入至风机升压变压器高压侧，应用阻容分压原理抬升电压。，Zr为限流阻抗，约束由于被测风机电压抬升过高而影响大电网或相邻风机正常运行，Zc为升压阻抗，R为升压阻尼电阻，利用升压开关投切，来产生故障高电压。利用阻容分压式高穿设备进行空载测试时。升压开关应能精确控制所有三相或两相电路中升压阻抗和升压阻尼电阻的投入及切除时间，限流阻抗的X/R均应大于10。

背靠背换流器的功率损耗由开关损耗和传导损耗组成。由于DFIG使用电压型转换器，其开关损耗包括导通损耗、关断损耗和与直流母线电压成比例的二极管反向能量恢复损耗；传导损耗包括绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）传导损耗和续流二极管传导损耗。直流母线电压增加，逆变器的转换器导通时间减少，作为整流器的换流器传导时间增加；相反，直流母线电压升高，作为逆变器的换流器续流二极管导通时间增加，作为整流器的换流器续流二极管导通时间减小。对于背靠背换流器来说，2个换流器总处于不同的工作状态，即一个工作于整流模式，一个工作于逆变模式，所以直流母线电压的升高对于传导损耗几乎没有影响，开关损耗占据功率损耗的绝大部分[25]。直流母线电压稳定性是实现HVRT的必要条件，且有利于降低功率器件的开关损耗。然而，随着电网电压升高，网侧换流器（GridSideConverter，GSC）同时受电网侧和转子侧干扰。在传统控制策略下，很容易导致直流母线电压波动，转换器开关损耗增加。因此，研究HVRT中直流母线电压稳定性的改善措施非常必要。

3高电压穿越技术分析

3.1变流器基本原理

1）暂态阶段：直流母线电压急剧上升，当超过制动斩波器（chopper）的触发电压时，将打开chopper中的绝缘栅双极晶体管（insulatedgatebipolartransistor,IGBT）开关，通过电阻释放母线能力，防止其快速升高。2）稳态阶段：需要采用控制算法降低直流母线电压，其核心是网侧变频器吸收较大的容性无功电流，从而利用进线电抗进线分压，降低母线电压，减少对母线电容、IGBT的高压冲击。当大电网电压过高时，利用风机网侧变频器吸收感性无功功率，不仅能够为大电网提供感性无功，而且利用网侧等效电感分压原理，降低了由于电压过高对风机零部件的冲击风险。当风电机组测试点电压处于标称电压的110%～130%区间内时，风电机组应该按照电压升高程度注入无功电流。如果网侧变频器不能够提供足够的无功电流，就需要转子侧变频器注入相应的无功电流以满足要求。

3.2 主控

升级新版本主控程序，配置新的频率耐受参数值，满足耐频要求。风机在高穿时，其主控逻辑基本保持不变，在接收到变频器下发的故障信息后（进入高穿模式），主控会屏蔽部分故障信号（与高穿模式有关的故障信号），由变频器控制风机出力；当接收到电网电压正常信号后，主控恢复屏蔽信号，并重新控制风机出力，风机正常运行。

4风力发电机组高电压穿越能力现场验证

以某风电场机组为测试风机进行现场验证。被测风机额定容量为1.5MW，切入风速为3m/s，切出风速为25m/s，风轮直径为77m，轮毂高度为80m，叶片控制方式为电气控制，转速控制方式为变桨控制。

4.1测试内容

测试选定的机组高电压穿越选取1.3p.u.为测试点，对测试点具体要求如下：1）P≥90%Pn。2）10%Pn≤P≤30%Pn之间。3）三相电压升高。利用换向原理分析其电磁暂态特性，在此基础上，对DFIG输出无功功率与其铜损耗的解析关系进行了理论分析，推导出了使铜损耗最低的DFIG输出无功功率最优参考值。同时，转子的瞬时功率补偿分量减小了DC总线电压的波动，从而减少了转换器的功率损耗。由此，提出了考虑DFIG铜损和转换器损耗的DFIG高电压穿越控制策略。仿真结果表明，该控制策略可以在保证DFIG高电压穿越能力的同时降低DFIG铜损耗与换流器损耗，并具有较好的暂态特性。

4.2试验步骤

风电机组处于并网运行时，按照以下步骤进行负载测试：1）断开旁路开关，投入限流阻抗。2）闭合升压开关，投入升压阻抗，在测试点产生电压升高。3）断开升压开关，退出升压阻抗。4）闭合旁路开关，退出限流阻抗，电网电压恢复正常。负载测试时按照表2设置电压升高幅值及持续时间，负载测试的限流阻抗及升压阻抗阻值应与空载测试保持一致。通过测试得出，被测机组具备测试点电压为130%额定电压时不脱网连续运行500ms的能力。

5结论

本文分析国内外对风力发电机组耐高压能力研究现状，总结风力发电机组高电压穿越技术，同时以某风电场1.5MW机组为例进行现场测试。测试结果表明，被测机组满足测试要求。此次验证合格，为我国风机行业相关标准的修订提供了依据，为弱电网条件下新能源可靠高效送出提供了样板。

参考文献

[1]周杰,赵豆豆,杨靖,等.双馈风电机组高电压穿越技术研究及测试研究[J].机电工程,2017,34(4):394-398.

[2]王思远.MW及大型风电机组高电压穿越技术研究

[D].长春:长春工业大学,2019.

[3]王艳娟.双馈风力发电机高电压穿越暂态全过程分析及限流电阻优化研究[D].北京:华北电力大学,2019.

[4]刘文洲,王思远,李宁,等.风力发电故障穿越技术综述[J].长春工程学院学报(自然科学版),2017,11(4):37-41.

[5]张明锐,尉芬.基于比例谐振的永磁直驱风电机组高电压穿越控制策略[J].电气工程学报,2018,13(3):1-8.