故障電網(wǎng)下雙饋風電系統(tǒng)運行技術研究綜述

賈護民

青海省綠色發(fā)電集團股份有限公司，青海西寧 810000

伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國的不可再生能源緊缺問題越來越嚴重，使得風能、水能等可再生能源有著極大的市場應用空間。其中在電網(wǎng)的發(fā)展中，多需要借助于風力能源使得風電系統(tǒng)發(fā)揮作用，但是很多地區(qū)的風力發(fā)電廠由于技術有限，以及需要向很多電力資源需求量較高的區(qū)域進行遠距離的送電，因此，電力系統(tǒng)易發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落等故障問題，需要發(fā)電廠對于風電系統(tǒng)運行的安全性、可靠性多加關注。采用雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)進行作業(yè)，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障問題，即可通過無功電流等手段，使得電網(wǎng)可以正常工作運行。我國針對該項系統(tǒng)的應用，頒布了風電并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)的規(guī)范，其中明確指出如果機端的電壓值處于20%時，此時風電機組在運行中，需要在不脫網(wǎng)的條件下，繼續(xù)進行運行，且運行的速度需要的達到625ms；以及該機組對于電壓不平衡度（長時2%、短時4%）、并網(wǎng)電壓諧波畸變率（4%），有著較好的承受力；同時該風電機組還可以通過無功電流，使得電網(wǎng)發(fā)生故障后可以繼續(xù)運行[1]。該種系統(tǒng)的發(fā)電機為雙饋型感應發(fā)電機。其使用的成本較低、有著容量較小的勵磁變流器、傳輸速率可做調(diào)整的特點，以此實現(xiàn)對發(fā)生故障電網(wǎng)問題的修復，以及有著極強的抗干擾能力，因此，需要不斷的加強應用。

1 雙饋風電變流器運行技術概述

1.1 不脫網(wǎng)運行技術

目前我國對于電網(wǎng)運行不脫網(wǎng)的額定值要求較高，需要在此狀態(tài)下的運行毫秒約為625，且機端電壓的需要控制在20%左右，而在國外則遠低于該標準。現(xiàn)階段較為常見的故障問題，主要有電壓驟降、升高，首先在驟降故障方面，應用雙饋風電系統(tǒng)，在發(fā)生下降之后的第一周期，在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子位置，會出現(xiàn)過電壓。該種電壓值的幅值，與直流暫態(tài)分量、電壓穩(wěn)態(tài)分量之間有著密切的關系，這兩項值發(fā)生疊加時，過電壓值處于最高的水平，一旦抵消則處于較低值。其次電壓升高故障，易導致直流側(cè)過壓情況，以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓、下降和飽和的勵磁電感與電機磁路，使得電路受到的沖擊力加大。根據(jù)上述雙饋變流器應用時，不脫網(wǎng)下獲得數(shù)據(jù)即可為該種風電系統(tǒng)的有效應用，提供參數(shù)依據(jù)。

1.2 電網(wǎng)支撐能力

目前很多國家安裝的風電機組在運行時，需要對外界干擾電網(wǎng)運行的因素進行控制，使得電網(wǎng)的故障問題可以盡快解除，恢復運行。我國要求電網(wǎng)在不存在故障問題后，額定功率值（10%）需要與正常運行的值無差別，其中分別對電網(wǎng)頻率、電壓幅值的調(diào)整，需要應用有功、無功功率實現(xiàn)調(diào)節(jié)，而且我國要求在發(fā)生電網(wǎng)故障后，首先使用無功功率進行調(diào)節(jié)[2]。

1.3 友好并網(wǎng)技術

針對電網(wǎng)運行故障中使用雙饋風電系統(tǒng)的低次諧波畸變、三相電壓不平衡的問題，以及該問題下的電壓偏差較大的問題，可以對該系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器進行調(diào)節(jié)，使得并網(wǎng)點負序電壓可以在無功電流的控制下，減少電壓偏差問題，使得并網(wǎng)后可以滿足系統(tǒng)運行的需要，使得輸出的電流屬于高正弦度電流，電力諧波注入順利進行[3]。

2 短時故障下的運行技術研究

電網(wǎng)運行時，應用雙饋風電系統(tǒng)，可以對電網(wǎng)故障后的電壓的異常變化情況，通過對轉(zhuǎn)子過電流、直流過電壓的調(diào)節(jié)，以及保護硬件等手段來進行的處理，使得在不脫網(wǎng)下的風電機組正常運行。在現(xiàn)階段的應用中，需要在故障問題下，系統(tǒng)應對電流沖擊的具體方法進行重點的研究。

2.1 可以對勵磁電流進行控制

對經(jīng)過電機組的轉(zhuǎn)子電流，進行指令的控制，以此來對定子磁鏈暫態(tài)分量，以及負序分量，進行相互之間的能力抵消，使得經(jīng)過機組的電流值可以在控制下減少驟減、驟升對于設備電壓造成的干擾，這種主動消磁的方法應用的較為廣泛[4]。同時，還有對電流調(diào)節(jié)器的控制實現(xiàn)對電流的技術手段。在電流器電流控制閉環(huán)的使用中，采用虛擬電抗/電阻技術等手段的引入，使得設備動態(tài)響應速度加快。還可以使用電流矢量控制等方法，使得網(wǎng)側(cè)變流器抵御外界干擾的能力提高。該法是通過對電流閉環(huán)的弊端問題作出的調(diào)整，在應用時有局限，還需要輔以風電系統(tǒng)的手段在故障下進行運行處理[5]。

2.2 提高等效電阻值

設備在運行中，可以借助于限流電阻的接入處理，使得轉(zhuǎn)子過電流的值獲得限制，以此可以穿越運行。現(xiàn)階段較常使用的手段是撬棒法。該方法在應用時，可以對雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組、旁路雙饋變流器，進行電阻的短接處理，使得系統(tǒng)在故障下的穿越能力顯著提升。同時，可以應用斬波器裝置，以此在設備發(fā)生故障的第一時間，可以迅速的直流測過電壓進行限制。

2.3 對機端電壓進行處理

雙饋型風電系統(tǒng)在運行階段常常會出現(xiàn)負序分量，以及定子磁鏈暫態(tài)分量，在這兩種能量的平衡處理中，可以對機端電壓進行支撐處理。常用的支撐處理手段為動態(tài)電壓恢復器，其通過對電壓的補償來對故障后的兩種分量進行控制的，屬于串聯(lián)電壓補償。還可以通過并聯(lián)電壓補償來處理。較之于前兩種處理手段，機端電壓的平衡處理，可以使得機端電壓值處于較好的穩(wěn)定狀態(tài)下，但是應用時所需的設備、裝置較多（保護措施），增加了系統(tǒng)運行的成本。目前，這三種技術手段在短時故障發(fā)生后均有一定的應用，需要操作人員結(jié)合本地的應用實際情況，選取最佳的技術進行故障后的穿越應用。

3 長期輕微故障下的運行技術研究

電力系統(tǒng)在運行中，常會使用不可控整流器、不可逆交流調(diào)速系統(tǒng)等裝置，因此較常容易出現(xiàn)低次諧波畸變等情況，不符合我國并網(wǎng)運行的相關要求。因此，在雙饋變流器的使用下，針對常見的輕微故障問題，需要將電網(wǎng)同步信號作為重要的參數(shù)來研究，在設備運行中，快速的追蹤到該信號，以此來對有功和無功功率，進行科學的配置，可以采用變流器控制策略實現(xiàn)信號控制。

3.1 電網(wǎng)同步信號檢測手段

在檢測時，可以應用鎖相環(huán)技術進行監(jiān)測，該技術檢測時的帶寬較高，且動態(tài)性能滿足檢測的需要，檢出結(jié)果較為理想。基于該技術的鎖相環(huán)結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，壓控振蕩器、環(huán)路濾波器、鑒相器。在應用中，是在閉環(huán)的狀態(tài)下開展工作的，但是在目前的該技術應用中，其結(jié)果易受到諧波分量的干擾，因此很多科研人員對鑒相器進行了重點的研究改進。可以應用構(gòu)造濾波器提取法、級聯(lián)延遲信號消除法對鑒相器的影響性因素進行改進。在前者方法的鑒相器改進中，對于正序基頻變量，使用1階廣義積分器、方波發(fā)生器等裝置進行提取，而后配合鎖相環(huán)其他兩個結(jié)構(gòu)共同對同步信號實現(xiàn)檢測；后者方法在使用中可以直接對受干擾的因素進行消除處理。此外，還可以對環(huán)路濾波器進行改進，提高信號檢測的效果。需要在原有的濾波器元器件的基礎上，添加自適應諧振調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)精準的監(jiān)測。在常規(guī)的濾波器使用中，由于設備的具有一定的滯后性，在電壓發(fā)生異常變化后，鎖定花費的時間較長，實時性效果較差，因此采用添加諧振調(diào)節(jié)器的方式，可以提高信號檢測頻率，且有著較高精度的檢出值。同時，對于環(huán)路濾波器，也有學者研究可以采用全數(shù)字硬件鎖相環(huán)，進行改進處理，該種改進方案可以借助于數(shù)字化的自動化技術，在發(fā)生故障問題后，可以快速的對信號進行檢測。因此在同步信號的監(jiān)測中，可以從鑒相器和環(huán)路濾波器這兩個裝置結(jié)構(gòu)入手，進行結(jié)果精準度的研究。

3.2 變流器控制

電網(wǎng)的電壓出現(xiàn)諧波分量等情況下，易出現(xiàn)諧波畸變問題、電壓嚴重的波動等問題，因此需要采取有效的干預措施，使得諧波分量、負序分量處于合理的范圍內(nèi)，例如在變流器控制中，可以采用電流矢量控制方法。該法在應用時，需要構(gòu)建正負序基頻、電流等參數(shù)的數(shù)學模型，以此便于工作人員在把握這幾個方面數(shù)據(jù)的關系之后，來進行控制。但是在應用中，需要對控制延時等情況多加關注。同時，還可以采用空間矢量直接功率控制策略，來對變流器進行處理。該種控制法具有著操作簡單，參數(shù)對設備影響較小的優(yōu)勢，因此應用較多。在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的過程中，在控制下通過滑膜調(diào)節(jié)器等裝置，可以對電壓的參考值進行監(jiān)測和獲取，結(jié)合該系統(tǒng)的運行需要，確定開關函數(shù)，以此來對功率管，進行直接性的控制。

4 結(jié)語

風力發(fā)電在未來的發(fā)展中，有著十分廣闊的應用空間，因此需要電力部門對該種發(fā)電模式下，使用的雙饋風電系統(tǒng)做以詳細的研究，針對不同故障下，該系統(tǒng)運行的技術支持情況進行準確的把握，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題后，即可通過雙饋風電系統(tǒng)的相關設備進行調(diào)節(jié)，可以保證電網(wǎng)健康的運行。

[1] 張迪.電網(wǎng)故障情況下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)直接功率控制策略研究[D].燕山大學，2015.

[2] 張梅.雙饋風電系統(tǒng)低電壓穿越技術研究[D].南京師范大學，2016.

[3] 張梅，李先允，吉同舟，等.雙饋風電系統(tǒng)低電壓故障保護方法的研究[J].電氣技術，2016（6）：51-55，61.

[4] 張隆，楊俊華，陳思哲，等.雙饋風電系統(tǒng)低電壓故障下無功控制方法研究[J].電測與儀表，2015（14）：66-70，109.

[5] 杜寶星，劉觀起，楊玉新，等.電網(wǎng)電壓跌落時雙饋風電系統(tǒng)無功支持策略[J].電氣技術，2012（12）：1，2-4.