中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院等單位的研究人員徐海亮、吳瀚等人，在2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，分析低短路比電網(wǎng)下含負序控制雙饋風(fēng)機穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵問題，從阻抗建模、穩(wěn)定性分析、控制策略改進等方面，提出相應(yīng)的解決方案，并對相關(guān)技術(shù)發(fā)展前景進行討論和展望。

 

 

為了應(yīng)對傳統(tǒng)化石能源危機和由此帶來的環(huán)境污染問題，開發(fā)利用新能源已成為世界各國的共識。其中，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過近二十多年的開發(fā)實踐，已成為公認的最具有商業(yè)利用前景的新能源形式之一。

 

根據(jù)全球風(fēng)能理事會的統(tǒng)計報告，2019年全球風(fēng)電裝機容量為6040萬kW，同比增長19％，全球風(fēng)電累計裝機容量超過6.5億kW，同比增長10％。

 

2019年我國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機2 574萬kW（含陸上風(fēng)電新增裝機2 376萬kW），同比增長21.7%，全國風(fēng)電累計裝機2.1億kW（含陸上風(fēng)電累計裝機2.04億kW），風(fēng)電裝機占全部發(fā)電裝機的10.4%。風(fēng)電穩(wěn)固保持在我國除水電之外第一大可再生能源的戰(zhàn)略地位。可以預(yù)見，今后一個較長時期內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電仍將保持較快的增長速度。

 

綜合國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢看，有以下幾個基本判斷：

 

1）雙饋仍將是陸上風(fēng)機的主流機型

在各種類型的并網(wǎng)風(fēng)機裝備中，雙饋型風(fēng)電機組（主電路拓撲如圖1所示，下文簡稱“雙饋風(fēng)機”）由于具有勵磁變流器容量小、成本低、運行效率高等優(yōu)點，長期占據(jù)風(fēng)機市場2/3以上份額。

 

隨著整機廠商Siemens Gamesa在2017年11月宣布其陸上風(fēng)機將放棄直驅(qū)技術(shù)而推行雙饋技術(shù)，國際三大風(fēng)機制造商Vestas、Siemens Gamesa、GE的陸上風(fēng)機將全部采用雙饋技術(shù)路線。因此，圍繞雙饋風(fēng)機的技術(shù)探索，必將繼續(xù)成為未來一個時期風(fēng)電領(lǐng)域的焦點和前沿課題。

 

 

圖1 雙饋風(fēng)電機組主電路拓撲

2）低短路比已成風(fēng)電機組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)

由于我國風(fēng)電資源和電力負荷的逆向分布特性，風(fēng)電機組大多接入電網(wǎng)末端，低短路比（Short Circuit Ratio, SCR）電網(wǎng)或弱電網(wǎng)（weak grid）已成為風(fēng)電機組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)。然而，現(xiàn)有風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)通常基于堅強電網(wǎng)（stiff grid）設(shè)計，未充分考慮大規(guī)模集中式開發(fā)、遠距離輸送等風(fēng)電開發(fā)模式下長輸電線路的阻抗因素。

 

研究表明，即便電網(wǎng)電壓對稱，當(dāng)電網(wǎng)阻抗不可忽略時，雙饋風(fēng)機與電網(wǎng)阻抗的交互作用也會引發(fā)系統(tǒng)的小干擾失穩(wěn)問題。而當(dāng)電網(wǎng)電壓不對稱時，電網(wǎng)正序、負序阻抗及其序間耦合分量，將與雙饋風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變流器（Grid-Side Converter, GSC）、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（Rotor-Side Converter, RSC）之間產(chǎn)生更為復(fù)雜的交互作用，其帶來的失穩(wěn)振蕩風(fēng)險亟需進行機理分析、量化評估和對策研究。

 

3）負序控制已經(jīng)成為研究難點和關(guān)鍵

由不對稱電網(wǎng)故障或者非線性的牽引供電系統(tǒng)負荷等引起的不對稱電網(wǎng)事故頻發(fā)。隨著風(fēng)電機組并網(wǎng)規(guī)模的增大，德國等風(fēng)電強國的并網(wǎng)導(dǎo)則已明確要求并網(wǎng)風(fēng)機需具備故障穿越和負序電流控制能力，如圖2所示。

 

2020年上半年，我國修訂版《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定第1部分：陸上風(fēng)電》也已將該負序控制要求寫入國家標(biāo)準(zhǔn)。然而，為滿足并網(wǎng)導(dǎo)則要求，風(fēng)機須向電網(wǎng)吸收（注入）規(guī)定比例的負序（正序）無功電流，這可能會進一步加劇不對稱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機電磁轉(zhuǎn)矩的二倍頻波動，進而危及齒輪箱等風(fēng)機軸系的運行安全。

 

因此，如何協(xié)同雙饋風(fēng)機GSC、RSC控制，使其既滿足電網(wǎng)導(dǎo)則正、負序無功電流要求，又不超出自身應(yīng)力約束，成為一項關(guān)鍵難題。進一步地，計及負序電流控制后，雙饋風(fēng)機與不對稱弱電網(wǎng)之間又會引入哪些新的失穩(wěn)因子尚未可知，相關(guān)研究仍處于起步階段，需進行理論和技術(shù)攻關(guān)。

 

 

圖2德國電網(wǎng)運營商VDE公司制定的標(biāo)準(zhǔn)

本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“低短路比電網(wǎng)下含負序控制雙饋風(fēng)機穩(wěn)定性研究的幾個關(guān)鍵問題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。