風力發電高電壓穿越控制方法

王欣鈺，劉 杰

(鄭州經貿學院，河南 新鄭 451191)

0 引言

近年來，隨著對環境保護的有關政策措施不斷加強，以新能源為基礎的發電方式開始受到越來越多的關注[1]。隨著配電網中風電并網比例的不斷提高，對電網運行的穩定性和安全性提出了更高的要求[2]。在此基礎上，為了保障電力系統能夠實現穩態運行，部分國家和地區相繼出臺了關于風電并網的行為規范[3]。其中，為了能夠實現對異常風電電壓故障的有效防御，對電壓穿越能力進行了明確要求[4]。對電壓穿越能力進行細化分析，其可以分為低電壓穿越和高電壓穿越2種。在電壓發展初期，低壓是困擾配電網運行狀態的主要問題，因此對其有關研究開展較早，在長期的研究過程中，大部分問題已經能夠得到有效解決。但是隨著近年來配電網環境的不斷發展，風電高電壓問題表現得越來越突出。本文提出風力發電高電壓穿越控制方法，并通過試驗分析驗證了設計方法在實際情況中的應用效果。

1 風電配網高電壓穿越控制方法設計

1.1 構建定子磁鏈狀態模型

在正常運行狀態下，電網電壓是以相對恒定的形式穩定傳輸的，此時定子磁鏈動態變化過程帶來的影響基本可以忽略不計。但是，當配網的電壓出現明顯上升時，定子磁鏈自身的作用將會在一定程度上被放大，并且放大的程度與電壓的強度存在一定的正比關系。因此，本文在實現對風電配網高電壓穿越控制之前，首先以定子磁鏈的實際運行狀態為基礎構建了定子磁鏈狀態模型。

在具體的建模過程中，本文將定子磁鏈矢量作為基礎參量，將其定向同步旋轉空間作為模型的空間范圍。此時的定子電壓在不同軸上的分量將會近似地存在以下關系：

(1)

式中：p(a)表示在定子磁鏈矢量為a條件下定子磁鏈的狀態參量，xa表示定子磁鏈矢量a在x軸上是分布，ya表示定子磁鏈矢量a在y軸上是分布，k表示功率對定子磁鏈矢量x軸分量的解耦系數，b表示功率對定子磁鏈矢量y軸分量的解耦系數，e表示正常運行工況下，定子磁鏈的穩態系數，U表示電網系統配網側輸出的電壓值。

通過式(1)可以看出，電網系統配網側輸出的電壓值出現大幅度的上升波動時，定子磁鏈也會發生相應的瞬態變化。利用其變化的幅度，即可實現對電壓上升幅度的計算，為后續的穿越控制參數設置提供基礎。

1.2 高電壓穿越控制

在上述基礎上，本文通過調節相關配網相關運行參數實現對高電壓穿越的控制。

首先可以根據本文“1.1”部分構建的模型計算得到電網系統配網側電壓的上升幅值，其可以表示為：

(2)

式中：ΔU表示電網系統配網側電壓的上升幅值，U0表示額定運行狀態下電網系統配網側電壓參量。

本文結合電網系統配網側電壓的上升幅值控制變流器輸出交流電壓，確保配網輸出電壓的穩定性。需要注意的是，在不同運行區間內，變流器的運行狀態是以相對動態的形式存在的，這就意味著電網交互有功、無功功率的狀態也會表現出相應的差異。在實際運行過程中，變流器的工作狀態主要包括在整流狀態，變流器從電網吸收有功和感性無功功率到吸收有功和容性無功功率；在逆變狀態，變流器向電網傳輸有功和容性無功功率到向電網傳輸有功和感性無功功率。

根據運行特點，在電網出現高電壓的階段，實現穿越控制的主要目標是確保變流器吸收的感性無功功率能夠與電網系統配網側電壓的上升幅值產生的功率一致，因此變流器對應的運行參數設置結果可以表示為：

(3)

式中：V0表示配網直流側的電壓參數，V1表示對應的電網電壓相量參數，V2表示等效電感電壓相量參數，L表示電網側的等效電感值，V3表示變流器輸出電壓相量參數，I3表示變流器輸出電流相量參數。

通過這樣的設置，就可以確保變流器為電網提供感性無功電流支撐，保障電網在高電壓作用下恢復穩態電壓。

2 測試與分析

在上述理論設計的基礎上，為了進一步分析本文設計的風力發電高電壓穿越控制方法在實際配電網中的應用效果，進行了應用測試。不僅如此，為了提高測試結果的分析價值，將文獻[2]提出的以動態無功支撐情況為基礎的高電壓穿越控制方法，文獻[3]提出的以SWITSC為基礎的高電壓穿越控制方法以及文獻[4]提出的建立在變直流母線電壓參考值基礎上的高電壓穿越控制方法進行分析比較，對本文設計方法的應用價值作出客觀評價。

2.1 測試環境

本次開展測試的風電機組對應的最大風速為15.50 m/s，最小風速為12.00 m/s。相關運行參數如表1所示。

表1 測試風電機組運行參數

按照表1所示的參數信息，本文高電壓現場的設置如圖1所示。在測試階段，本文首先將配電網高電壓發生裝置與風電機組升壓變壓器進行串聯，并且確保其處于配電網的高壓側和35 kV電網之間。電網高電壓發生裝置的主要作用是在并網點模擬電網高電壓情況的發生。在具體的實施階段，通過調整高電壓發生裝置限流阻抗與短路容抗參數的方式，實現對不同程度電網高電壓的模擬。

圖1 測試環境高電壓現場設置情況

2.2 測試結果

在上述基礎上，本文統計了在不同程度電網高電壓作用下，不同穿越控制方法的控制效果。考慮到在實際的電網環境中，高電壓帶來的最直接的影響是經過配網母線的電壓出現相應的波動。因此，本文以母線電壓的波動幅值為指標，統計了4種測試方法的結果，如表2所示。

表2 不同測試方法下配網母線電壓波動幅值對比表

對比3種方法，文獻[2]方法的波動性最高，其中，當并網點電壓值為150 kV，對應的母線電壓波動幅值最大值和最小值分別為158.76 V和81.30 V。相比之下，文獻[3]方法下的母線電壓波動幅值最大值雖然與文獻[2]方法相比有所降低，但是其最小值也處于較高水平，當并網點電壓值為150 kV，達到了96.31 V。文獻[4]方法的測試結果中，整體表現出與文獻[3]方法相似的特點，但是母線電壓波動幅值實現了下降，表明其高電壓穿越控制效果更加理想。觀察本文設計方法的控制效果，其中，母線電壓波動幅值始終穩定在23.0 V以內，最大值僅為22.41 V，當并網點電壓值為110 kV時，對應的母線電壓波動幅值最大值和最小值分別僅為14.56 V和8.70 V。測試結果表明本文設計方法可以實現良好的高電壓穿越控制效果，在極大程度上保障配網在出現異常高電壓時能夠維持相對穩態。

3 結語

電網技術的不斷發展使得在實際運行過程中存在的主要電壓問題類型也逐漸發生了轉變，由原始的低電壓穿越控制問題轉變為了高電壓穿越控制問題。本文提出風力發電高電壓穿越控制方法，實現了對高電壓穿越的有效控制，在極大程度上保障了配電網供電的穩定性。借助本文的研究，希望可以為相關配電網安全管理工作的開展提供幫助。