2022大规模风电场高电压穿越控制方法

大规模风电场高电压穿越控制方法2023目录TOC\o"1-2"\h\u13111不同类型风电机组与风电场的高电压穿越暂态特性分析 682711.1双馈风电机组在电网故障工况下的暂态特性 775261.2永磁直驱同步风电机组在电网故障工况下的暂态特性 9110351.3风电场在电网故障工况下的暂态特性 11246402风电机组高电压穿越控制方法 1277982.1机侧控制方法 1285952.2直流母线控制方法 1268962.3网侧控制方法 13130353风电场高电压穿越控制方法 1531288控制方式 优点缺点 15256663.1集中式控制方法 15238733.2分散式控制方法 16102703.3分级（分层）分布式控制方法 17216123.4海上风电场电压协调控制方法 17239393.5小结 18148954讨论与展望 1957675结语 20大规模发展风电是新能源开发和利用的重大需求，是实现我国“双碳”战略目标的关键支撑[1]。根据全2022并网容量其中陆上风电800GW的里程碑[2]。20223337GW，其中陆上风电累计装机容量26.65GW2030800GW[3]8年风电年均新增装机不低于57.5GW，相当于每年新增2.56个三峡水电站（装机容量为22.5GW）。大规模发展风电已成为我国抢占新一轮全球能源变革和经济科技竞争的制高点。随着风电渗透率不断提高，风电固有的随机波动性和外部电网扰动会造成风电机组群内部电压大幅波（下简称“风机”）大规模脱网[4-5]，造成巨大经济损失。如在甘肃酒泉（840MW）、甘肃瓜州（脱854MW）、河北张家口（1006MW）风电基地分别发生的三起大规模风机脱网事故，均是间间隔内，风电机组保证不脱网连续运行的能力[6]。在风电场中，断开大负载、单相接地故障导致的单相重合闸或大电容补偿器突然接入等都会造成电网电压升高[7,8][9]的发展和风火打捆直流[10]越时由于风机之间无功协调不到位[12-14]。例如，2011年我国华北风电场发生的风机大规模跳闸故障远，系统动态无功储备及支撑能力急剧下降，影响系统电压稳定性。本文将从电磁特性和能量流动两个方面分析电网电压骤升工况下双馈和永磁直驱风电机组以及风电场的高电压穿越暂态特性，从机侧、直流母线侧和网侧三个不同控制区域对现有风电机组高电压穿越控制策略的优缺点进行梳理和比较；重点针对风电场高电压穿越时的耦合特性，归纳分析了陆上和海上风电场高电压穿越及故障后电压恢复控制策略，对比分析了风电机组和风电场在电网电压骤升工况下的暂态特性和控制策略的区别，最后对风电机组及风电场电压安全控制的发展趋势和潜在研究热点进行探讨和预测。不同类型风电机组与风电场的高电压穿越暂态特性分析[17-21，规定了风电机组及风电场接入电网的技术标准，主要包括风机的低电压穿越（LowRide-Through，LVRT）[22]、高电压穿越（HighRide-Through，HVRT）和连续穿越（FrequencyRideThrough，FRT）能力，不同国家关于风电机组高电压穿越的要求如图1所示。澳大利亚美国澳大利亚美国1.251.2电压/p.u.电压/p.u.1.151.11.000.12.0 3.0 10 时间/s

300图1不同国家关于风电机组高电压穿越的要求Fig.1Requirementsforhighvoltageride-throughofwindturbinesindifferentcountries双馈风电机组在电网故障工况下的暂态特性风力机发电机风能定子并网开关 功率开关电网电能 电能机械能DFIG升压变压器进线电抗器R风力机发电机风能定子并网开关 功率开关电网电能 电能机械能DFIG升压变压器进线电抗器Rcrow电容GTO转子侧变换器网侧变换器齿轮箱Crowbar

(RSC)

(GSC)图2双馈风电机组拓扑结构图Fig.2TopologicalstructurediagramofDFIGtt0则双馈风电机组在正常运行工况和电网电压骤升工况下（tt0）的定子磁链为：s Ues j

0tt0= 1

（1）s U

tt1d)sejtdsee

tt0 式中，Us表示定子电压幅值；1为同步角速度；d表示电网电压骤升的幅度；s=1/j1为定子时间常数。由式（1）可以看出，相较于正常运行工况，电网电压骤升后定子磁链的变化分为两部分：一是以同步角速度1旋转的强制分量幅值升高1+d倍；二是新增幅值衰减且不旋转的瞬态直流自然分量，以确保电网电压骤升瞬间机组的定子磁链连续。由于正常运行工况时采用定子电压定向控制d轴方向（usdsq且usq0）电压骤升后定子电流、定子侧输出的有功功率、无功功率与转子电压的变化（忽略定子电阻Rs）： sd isd=LLird s L

（2）i=

sqmisq

3 3

3

L

（3）P

(uiui

)= mui

usdu(sqmi)s 2 sdsd sqsq 2L sdrd 2 sdL sqL Lrq s

s s s Q3(ui

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)=

sqLmi

)

sdLmi)s 2 sqsd sdsq 2usd(L Lrq 2usq(L Lrd s s s L di LL

（4）uRi

rdi

m

dtrd rrddt

srqs

sd rsqL di LLuRi

rqi

m

q rq t

srds

sq rsd如上式（2）-（4）所示，在定子磁链发生变化后，定子电流产生新增量，sd0，sqs，定子输入到电网的功率发生变化，转子侧电压发生改变。由上述磁链暂态全过程的推导可以看出，当电网发生电压骤升故障时，双馈风电机组定子电压会随着电压的骤升而突变，但定子磁链不会随定子电压骤升而突变，因此电压骤升期间定子磁链产生直流分量，以保证故障瞬间定子磁链维持不变。双馈风电机组高电压穿越全过程的电磁暂态机理过程为：电网电压骤升后，定子电压升高，定子绕组产生瞬态的直流磁链分量，引起转子暂态过电流；此外，转子侧暂态直流分量会引起直流母线过电压以及网侧变流器（Gridsideconvertor，GSC）过流问题，导致电流和电压发生波形失真，严重时可能会损坏变流器，进而导致脱网事故的发生。DFIG转子侧采用小功率的双向背靠背变流器，由于变流器容量的限制，对流经转子侧的电流和直流母线的电压都有限制，以确保变流器不因过电压或过电流发生损坏。永磁直驱同步风电机组在电网故障工况下的暂态特性风能电能功率开关电能电网机械能机侧变换器网侧变换器R永磁直驱同步风电机组（风能电能功率开关电能电网机械能机侧变换器网侧变换器RChopper图3永磁直驱风电机组拓扑结构图Fig.3Topologicalstructurediagramofpermanentmagnetdirectdrivewindturbine与双馈风电机组不同，永磁直驱风电机组由于永磁同步发电机通过全功率变流器与电网相连的结构特性，电网与发电机之间没有直接的电气联系，所以当并网点电压骤升后，发电机与机侧变流器不能直流感应到电网故障情况，因此永磁直驱风电机组高电压穿越控制策略主要侧重于网侧变流器和直流母线的电压与电流控制。忽略网侧变流器输出端口滤波电感上的电压降，网侧变流器输出电压与直流母线电压之间的关系可以通过调制系数M[30]来表示，即：3UdcM22U3Udc

（5）式中：UgGSC输出端口的电压；UdcGSC1.0M的限制，C输出电压正比例上升的趋势。则故障后直流母线电压UcdcdcU=UMUdcdc

（6）UgMmax式中：Ug表示故障后GSC输出端口的电压；Mmax表示最大调制系数。电网电压骤升后永磁直驱风电机组GSC4所示。其中，0~~t2表示当电网电压骤升后（如1.3p.u），GSC（0.976）（1.0）而直流母线电压Udc1/1.3倍。根据式（6）GSC1.025UgGSC有功输出降为原来的0.788倍。由于机侧变流器输入有功不变，所以会有不平衡功率堆积在直流母线电容上，导致直流母线电压增大；t2~t3GSCt3~t4表示当直流母线电压增大到一定程度后，GSC有功输出能力恢复到正常范围，系统达到一个暂态稳定过程；但由于堆积在直流母线电容中不平衡功率的存在，若无外部控制策略，直流母线电压将一直处于过压状态。时间图4高电压穿越过程中直驱风电机组有功输出与直流母线的变化过程Fig.4TheprofileoftheactivepoweroutputandDC-linkvoltageforPMSG-basedwindturbineduringtheHVRT风电场在电网故障工况下的暂态特性-磁-力交互影响。一方面，风电场中不同位置的风机由于与公共连接点电气距离不同、瞬时输出功率不同，导致机端电压差异较大；另一方面，当发生高电压穿越时，不同位置风机的[31]快速调节。综上所示，双馈风电机组和永磁直驱风电机组在电网电压升高后都会在直流母线电容上产生不平衡功率，导致直流母线过电压。但是由于双馈风电机组发电机定子侧与电网直接相连，相比永磁直驱风电机组，双馈风电机组在电网电压过高的暂态过程中受影响更大，会出现转子过电流等不良后果。风电场在电网故障工况下的暂态特性不仅需要考虑单台风电机组内部电磁力等参数的影响，还要综合考虑场域内多台风电机组之间功率与电压的耦合影响关系，暂态过程更加复杂多变。风电机组高电压穿越控制方法机侧控制方法[33-39]组高电压穿越能力的主要方式之一。增加虚拟电阻或虚拟阻抗[33,34]保护装置频繁动作带来的转子侧变流器短接的难题[6][25]采用无源阻尼与转子侧换流器协调控制的方法DFIG转子电流和电磁转矩的冲击，同时抑制转子过电压。文献[36]将一种基于向量形式的磁滞电流调节器用于降低双馈风电机组的转子电流震荡，同时提升风机的故障穿越能力；文献Crowbar电机组的过电流情况。文献[38]提出了一种不考虑磁链和系统参数的反向电流跟踪控制策略，以加快高电压穿越过程中瞬变磁通量的衰减率。文献[39]DFIG测和系统参数的反向电流追踪控制策略，加快了暂态磁链的衰减速度，抑制了电磁转矩的脉动。Crowbar失控、受励磁变流器容量限制导致控制效果有限而无法成功穿越严重故障等缺点。直流母线控制方法Chopper等保护电路与相应的控制策略[40,41]的不平衡功率，抑制转子过电流或直流母线过电压，从而提升风电机组的高电压穿越能力。文献[42,43]器电压参考值的方式，增大网侧变流器在高电压穿越时的可控范围，从而提高机组高电压穿越能力。文献[44,45]提出一种动态无功电流补偿或与定子磁链微分补偿相结合的控制策略，可根据电网电压抬升情况进行分段优化，以支撑电网电压的快速恢复。文献[46]通过构建双馈风电系统小信号模型的方式，来分析高电压穿越过程中系统的稳定性。通过在电力电子转换器直流母线的两端连接额外的储能系统（EnergyStorage[47]提出利用SESS[48,49]基于模型预测[50]提出了一RSC无功电流控制定子侧吸收无功功率的双馈风电机组高电压穿越方法。ChopperGSC系统成本。网侧控制方法文献[30]提出一种考虑网侧变流器电流运行边界的永磁直驱风电机组高电压穿越控制策略，利用可变运行因数定量地提供无功支撑，实现有效抑制直流母线过电压、保证风功率正常稳定输出的作用。文献[51,52]提出了网侧变流器无功电流控制与正负序电流控制协调的高电压穿越控制策略，通过分析网侧变流器的最大短路电流能力，建立了电网电压骤升时网侧变流器的可控区域，并提出了考虑实际测量值的直流母线电压参考值的自适应调整算法。文献[53]提出协调无功-电压和有功-电压卸载控制的双馈风电机组高压穿越控制策略，考虑高电压穿越过程中无功最大利用率，通过减载控制有效抑制瞬态过电压。基于模型预测控制理论的电压故障穿越方法能够更精确地调节故障过程中电压的波动情况，文献[54-57]提出基于模型预测控制协调有功无功的风电机组故障穿越控制方法，根据并网点电压与转子电流的解析关系，结合模型预测控制的滚动预测与反馈矫正，实现并网点电压波动的快速抑制。此外，近年来许多风电场或者场内风电机组都配备了无功补偿设备，如增加静止无功补偿器或动态电压恢复器[58-62]，来消除高电压穿越过程中产生的不平衡功率，支撑电网电压快速恢复。上述风电机组高电压穿越的网侧控制方法主要通过协调无功-电压与有功-电压减载、设计基于模型预测控制的新型鲁棒控制器或增加静止无功补偿器和动态电压恢复器等额外装置的方式，帮助风机快速恢复端电压，提升电网电压恢复能力；但也存在软控制策略对参数依赖性较高、控制效果受到励磁变频器容量限制等问题，同时增加硬件装置的控制需要与风机协调控制，控制逻辑复杂且会增加系统成本。风电机组高电压穿越的不同控制策略的特点比较归纳总结如表1所示。表1风电机组高电压穿越不同控制策略的特点比较ThecharacteristiccomparisonamongdifferentHVRTcontrolschemesofwindturbines控制方法 优点 缺点机侧控制方法直流母线控制方法网侧控制方法

机侧变流器q轴电流分量补偿策略加入虚拟电阻或虚拟阻抗[33,34]侧换流器协调控制[25]基于定子磁链或电压定向的矢量控制[36]串联动态电阻和Crowbar保护电路[37]直流母线环节增加Chopper保护电路[41]变直流母线电压控制策略[42,43]直流母线环节加入储能系统[44-49]协调无功-电压与有功-电压减载控制[53]基于模型预测控制的新型鲁棒控制器[54-57]增加静止无功补偿器和动态电压恢复器[58-62]等

高了能量利用率引发更大的损害适用于各种类型的对称和不对称电网故障在严重故障下可实现故障穿越加入Chopper保护电路可消耗直流母线的不平衡功率，抑制直流母线过电压可以扩大变流器的电压输出范围，提高风电机组高电压穿越的能力储能装置的使用可以快速有效地响应HVRT过程中直流母线电压的波动变流器电力电子器件免遭击穿的损害依然较好，对系统参数敏感性较低可以帮助风机快速恢复端电压，提升电网电压恢复能力

而超过额定转速而失控在可行性区域的限制RSC的全部容量都用来产生与定子磁受到变流器容量的限制增加额外电路使得系统更加复杂，维护和建设成本较高采用Chopper保护电路会消耗掉系统的部分功率，造成风功率的浪费动影响的成本果对参数依赖性较高在可行性区域的限制与风机协调控制较复杂，同时会增加系统成本额外装置风电场高电压穿越控制方法随着风电场并网适应性规程规范[17-19]考虑风电场内不同风机之间的耦合特性对风机端电压的影响。控制、分级分布式（分层分布式）所示。表2风电场高电压穿越与电压恢复不同控制策略的特点比较Tab.2ThecharacteristiccomparisonamongdifferentHVRTandvoltagerecoverycontrolschemesofwindfarms控制方式 优点 缺点集中式控制[55,58,59,61,63,67]分散式控制[64-66,68,69]（分层控制[73-76]

要求获取风电场内所有风机的具体信息，中央控制器执行优化计算，然后将功率给定值下发给风机。可与电网联动，实现特定的优化目标。风机由本地控制独立调节，无需与中央控制器通讯，在高电压穿越过程中可以快速抑制风机波动。计算任务由中央控制器和风机控制器共同分担，需要中央控制器协调所有风机控制器，计算负担有效降低。

需要获取风电场内所有电机现风电场群的全局最优运行只能针对某些特定的问题结构进行处理集中式控制方法集中式电压控制功能的风电场无功要求是根据公共连接点（PointofCommonCoupling，PCC）的状态计算得出的，可以由中央控制器分配给风电场中的所有风机来调节电压偏差。如文献[63]针对全功率风电机组组成的大规模风电场无功电压最优控制问题，提出了基于模型预测控制的大规模风电场电压集中式控制方法，将其应用于连接风电场的北欧32节点系统三相短路故障工况，保证低电压穿越过程中POC端、中压母线端和风机端的电压在0.2s的时间内恢复到正常允许范围内。文献[64]考虑了风电场运行在正常模式和矫正模式两种工况，当中压母线实际电压与额定电压偏差超过一定范围时，启动所提出的电压矫正模式控制策略，通过协调大规模海上风电场的动态无功补偿设备和风机的无功输出，使风机在大扰动工况或故障穿越过程能够快速响应电压的波动。文献[67]提出了一种自适应无功功率控制交流母线电压的策略，在电网电压发生故障后，使具有较大无功功率的DFIG注入更多的无功电流，保证电压快速恢复。针对高压直流输电系统（high-voltagedirectcurrent,HVDC）双馈风电机组高压穿越控制策略[25,59]无功分配的方法[76]风电场层面不同风机在不同时间尺度范围内电压与无功以及有功的最优协调控制，针对故障过程的暂态特证风机能够不脱网持续运行。分散式控制方法（如下垂控制PCC处的电压和无功的本地控制。如文献[65]针对大规模风电场集中式优化控制存在的“维数灾”导致计算时间长、无法快速响及故障后恢复阶MMC-HVDC有学者提出了两阶段电压分散式控制策略分级（分层）分布式控制方法[5]风电场分级分布式电压协调优化方法VSC-HVDC方法障后电压恢复阶段实现无功的近似全局最优分布，对于提升大规模风电场的电压抗扰动能力效果明显。海上风电场电压协调控制方法由于海上风电场一般通过柔性直流输电系统[68-70]题，提出了考虑自同步电压源控制模型[71]、考虑故障过程中主动能量分配原则[72]、机组协同-控制[73]及考虑谐波注入信息传递的海上风电并网故障穿越方法PCC[61][78,79]运行的新要求，亟需进一步探究。小结3起的机侧-要充分考虑不同机组之间复杂的电-磁-力耦合关系，实现风电场内所有机组的全局最优分配，保证不同风电机组均能满足高电压穿越要求，提高风电场整个区域的稳定性。表3风电机组与大规模风电场高电压穿越控制策略的特点比较Tab.3ThecharacteristiccomparisonamongdifferentHVRTcontrolschemesofHVRTandvoltagerecoveryforwindfarms暂态特性的区别 控制策略的区别风电机组高电压穿越主要研究不同类别单台风电机组的暂态