一种风电故障脱网高电压穿越方法

姚万业, 杨金彭

(华北电力大学控制与计算机工程学院, 河北保定071003)



一种风电故障脱网高电压穿越方法

姚万业, 杨金彭

(华北电力大学控制与计算机工程学院, 河北保定071003)

摘要：为了解决河北张家口某风电场因并网时投入一组大容量的电容器所引起的高电压脱网现象的问题，通过研究风电并网低电压穿越的方法，提出了一种通过在风机并网前定量投放一组感性无功元件从而消耗掉高电压脱网时的额外功率的高电压穿越方法。经过在PSCAD软件上的仿真分析和现场试验，验证了该方法的可行性，得出高电压脱网时功率流向会变化的结论。

关键词：低电压穿越；高电压脱网；功率流向；高电压穿越；额外功率

0引言

目前，风电在我国电力系统中的穿透力越来越大，风能资源总储量为约160 000 MW，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三[1]。随着风电的不断发展，风电的并网比例也越来越大，因此风电的稳定运行越来越受到关注。风机在并网中，低电压脱网是经常发生的事，针对低电压脱网故障，已经有一些成熟的低电压穿越方法[2]。然而国内某些城市的风电场也出现了高电压脱网事故，2012年5月14日河北张家口某风电场故障脱网就是一次仅出现高电压脱网的事件，该事件是由风电场投入一组较大容量的电容器所引起。由于该风电场接入地区短路电流较小，当风电场出力较大时，系统电压对无功的灵敏度较大，同时由于双馈风机的无功电压特性，使得当系统投入一组较大容量的电容器后，促使系统出现了高电压过程。由此事件得出，在系统正常运行情况下，风电汇集地区系统也有可能出现高电压过程，然而针对高电压脱网故障，还没有很好的解决方法[3]。

高电压穿越是指当并网电压超过额定电压某一值时，挂网设备能够不脱网运行，并提供相应的故障恢复电流，目前低电压穿越已有国标，但高电压穿越目前尚无国家规定标准，国外一些国家已经对高电压穿越做了一些规定，如澳大利亚规定是电压上升至130%时60 ms不脱网[4]。

1直驱型永磁风力发电机组的数学模型

1.1　EMTDC/PSCAD仿真平台的概述

EMTDC(Electro Magnetic Transient in DC System)是目前国内外学者最常用于电力系统仿真分析的软件之一，它既可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子器件仿真及其非线性控制的多功能工具。PSCAD(Power Systems Computer Aidede Design)是EMTDC的前置处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行结果可以随着程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口[5]。

1.2　直驱型永磁风力发电机组的数学模型

近年来，随着大功率电力电子装置技术的不断成熟，直驱型风力发电机组凭借其高可靠性、低维护成本等优势，已经成为我国在运风电机组的主力机型之一[6]。直驱型永磁风力发电机组的典型拓扑结构模型如图1所示。该模型是在PSCAD软件上搭建成的，通过在软件上调整各参数来模拟张家口风电场的实际运行状况，其中部分参数为：永磁同步发电机额定功率为2 500 kW，并网输出额定电流为2 092 A，额定电压690 V，直流母线电容C1，C2均为18 000 μF，卸荷电阻为0.97 Ω，输出滤波电感为0.15 mH，经升压变压器接入35 kV电网[7]。该模型主要由风力涡轮机、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、直流母线电容、LCL滤波器及相关控制环节等模块组成。风力涡轮机是该风力发电机组中的首要部件，负责捕获空气中的动能，将风能中的部分能量转换成机械能，通过传动机构拖动永磁同步发电机转动，最终将能量转换成电能。受风随机、不稳定性的影响，永磁同步发电机输出的电能也存在频率、幅值不断变化的问题。为了得到可以满足需要的频率、幅值固定的交流电，需要借助变流器进行转换。为了保证获得最大的风能转换效率，一般需要利用全功率变流器。该变流器首先将发电机输出的频率、幅值不断变化的交流电转换成稳定的直流电，然后再将稳定的直流电转换成所需要的稳定的交流电，经过LCL滤波电路进行谐波处理后并入电网[8]。

图1　直驱型永磁风力发电机组模型拓扑结构

2基于无功补偿的直驱型风力发电机组高电压穿越控制策略

类似于电压跌落，电网电压骤升也是一种威胁电网安全稳定运行的电网电压故障，该故障一般发生在电网无功功率过剩的情况下[9]。为解决直驱型风力发电机组因电网电压骤升而脱网的问题，结合文献[10]中有关提高直驱型风力发电机组低电压穿越能力的控制方法，在分析电网电压骤升下直驱型风力发电机组功率变化情况的基础上，提出了基于无功补偿的直驱型风力发电机组高电压穿越控制策略。

根据文献[11]得知电网电压骤升期间风力发电机组的无功输出主要取决于电网电压骤升幅度，具体逻辑关系可参考德国E.ON 公司颁布的有关风力发电机组的高电压穿越并网要求。该并网要求规定当风力发电机组并网点电压骤升至该并网点电网电压额定值的110%及以上时，风力发电机组需要按照额定无功补偿电流值与电网电压骤升值至少2:1的原则对故障电网及时地进行无功补偿，即

(1)

(2)

式中:imax为网侧变流器的最大允许电流值。

在模型中通过改变网侧变流器控制模式，来完成上述公式中的无功补偿。基于无功补偿的直驱型永磁风力发电机组高电压穿越控制策略如图2 所示，选择器Ctrl1,Ctrl2用以网侧变流器控制模式的转换[13]。

图2　高电压穿越控制策略

3高电压穿越控制策略的仿真应用试验

3.1　高电压穿越控制策略仿真应用试验

现场试验采用某单位研制的移动式风电机组高低压故障一体化测试系统[14]，为了确保试验期间所需的电网电压骤升条件。试验过程中可利用该测试系统的人机界面对电网电压进行远程控制，其中可以通过“配置电压跌落/骤升参数”窗口设置参数实现电网电压的对称骤升、非对称骤升等状况[15]。为更真实模拟风力发电机组实际运行情况，需要考虑风机负荷、电压对称/不对称、电网电压骤升幅值及持续时间等多重工况[16]。

3.2　试验过程

3.2.1对称电网电压骤升条件下现场试验过程

利用PSCAD软件分析存储在录波仪中的试验数据，以电网电压骤升1.3 p.u.(线电压)并维持200 ms下风电机组现场试验情况为例[17]，结果如图3～5所示。

图3　电网电压对称骤升1.3 p.u.时空载下风力发电机组试验波形

图4　电网电压对称骤升1.3 p.u.时大负荷下风力发电机组试验波形

图5　电网电压对称骤升1.3 p.u.时小负荷下风力发电机组试验波形

3.2.2非对称电网电压骤升条件下现场试验过程

利用PSCAD软件分析存储在录波仪中的试验数据，以电网电压骤升1.3 p.u.(线电压)并维持200 ms下风电机组现场试验情况为例，结果如图6～8所示。

图6　电网电压非对称骤升1.3 p.u.时空载下风力发电机组试验波形

图7　电网电压非对称骤升1.3 p.u.时大负荷下风力发电机组试验波形

图8　电网电压非对称骤升1.3 p.u.时小负荷下风力发电机组试验波形

3.3　试验结果分析

从实验结果来看，重点分析大负荷下风机试验情况，其中，由图8可以看出，电网三相电压值由690 V骤升130 %并维持200 ms，在此期间风力发电机组发出1.6 MW的感性无功功率，有功功率则由2.5 MW降至0.628 MW，在电网电压骤升结束后恢复至原来的值；直流母线电压值在骤升瞬间升高至1.15 kV，随后骤降至1.08 kV，在电网电压恢复后恢复到故障前的值保持稳定；由图8可以看出电网AB两相电压值由690 V骤升130%并维持200 ms，在此期间风力发电机组发出1.36 MW的感性无功功率，有功功率则由2.45 MW降至1.06 MW，在电网电压骤升结束后恢复至原来的值；直流母线电压值在骤升瞬间升高至1.158 kV，随后骤降至1.038 kV，在电网电压恢复后恢复到故障前的值保持稳定，与模型仿真试验结果基本一致，验证了基于无功补偿的高电压穿越控制策略具有一定的可行性[18]。

4结论

通过在PSCAD软件上对直驱型风力发电机组的模型进行无功补偿仿真，并依据仿真结果分析与现场试验的结果对比，进一步确定了本文提出的感性无功元件补偿额外功率的直驱型风力发电机组高电压穿越控制策略在现场应用中具有一定的可行性。针对高电压脱网故障，也可以从定量控制投放的容性元器件出发[19]，根据具体的发电量和并网电压值来计算电压脱网允许范围内的容性器件的数量和容量，从而找到一种新的高电压穿越方法。

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A Method for High Voltage Ride Through of Wind Power Failure

Yao Wanye, Yang Jinpeng (School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：In order to solve the problem of the phenomenon of high voltage off network caused by large capacity of capacitor was connectted to grid in Zhangjiakou of Hebei province. From the research of the method of low voltage ride through of wind power grid. A method of high voltage ride through is proposed that consuming the extra power when meeting the high voltage failure by delivering a group of inductive reactive element before wind power gridding. From the simulation analysis in the platform of PSCAD and field test, verifing the feasibility of the method. We make a conclusion that the direction of the power will flow when encounting the high voltage off network failure.

Keywords：low voltage ride through;high voltage off network;power flow;high voltage ride through;extra power

作者简介：姚万业(1965-),男,教授,研究方向为新能源网络控制系统、图像识别、DCS分散控制系统、管理信息系统,E-mail:yaowanye@163.com。

收稿日期：2015-08-27。

中图分类号:TM731

文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.006