第35卷第16期中国电机工程学报V ol.35 No.16 Aug. 20, 2015 4184 2015年8月20日Proceedings of the CSEE ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.16.022 文章编号：0258-8013 (2015) 16-4184-14 中图分类号：TM 315故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述年珩，程鹏，贺益康(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027)Review on Operation Techniques for DFIG-based Wind EnergyConversion Systems Under Network FaultsNIAN Heng, CHENG Peng, HE Yikang(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: Recently, grid-connected operations of doubly fed induction generators (DFIG) based wind energy conversion systems (WECS) under fault grids, especially the conditions of voltage dips and swells, negative sequence disturbances and harmonic distortions, have been the hot spot issues. From the viewpoint of grid codes and reliable operations, focused on the uninterrupted operation, the network support and the friendly connection, the key operation techniques of DFIG system were discussed under severe faults for a short time and light ones for a long time. Besides, the current investigation situation on the DFIG system was introduced, and then, the research tendency of DFIG system control considering the grid faults and disturbances was presented.KEY WORDS: doubly fed induction generator (DFIG); fault grid; abrupt voltage changes; negative sequence voltage disturbance; harmonic distortion; grid code摘要：近年来，双馈感应风力发电系统在故障电网特别是电压骤变、负序扰动、谐波畸变下的运行控制技术，已成为风力发电系统中的研究热点。
该文从各国风电并网规范、风机高效并网运行角度出发，列举了双馈风电机组在不脱网运行技术、电网支撑能力和友好并网技术等领域的关注焦点，探讨了电网短时严重故障和长期轻微故障中双馈风电机组运行的关键问题与核心技术，比较了现有双馈风电系统的控制方案，并预测了其发展趋势，给出了潜在的研究方向。
关键词：双馈感应风力发电机；故障电网；电压骤变；负序扰动；谐波畸变；并网规范0 引言随着风力发电技术及风电装备制造水平的快速发展，风能已经成为最具规模化应用前景和商业化开发潜力的可再生能源。
根据我国于2012年发基金项目：国家自然科学基金项目(51277159)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277159).布的《可再生能源“十二五”规划》的总体目标，到2015年，各类可再生能源在能源消费中的比重要达到9.5%以上，其中累计并网运行风电容量达1亿kW，海上风电为500万kW[1]。
因此，促进风电产业科学发展、实现风电场的合理布局已成为我国保障能源安全和优化能源结构的重要抉择。
然而，受限于可再生能源开发密集区与用电负荷中心区域的逆向分布特点，导致了处于电网末端大型风电场的电能需通过高压远距离输电走廊才能送达负荷中心[2]，这种风电能量的大规模集中输送方式易造成风电机组并网运行安全故障。
近年来，甘肃玉门风电场、宁夏贺兰山风电场等大规模风电场脱网事故，暴露了大型风电场的集中接入方式给电力系统安全、稳定、高效运行带来的冲击与挑战[3-4]。
为提升电网对风电的接纳能力、规范风电机组并网运行方式，世界各国纷纷制定出台了相应的风电并网接入导则，对风电机组运行的安全性、稳定性提出了严格要求[5-8]，主要体现在以下方面：1）风电系统应能有效抵御电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时及长期电网故障；2）风电机组应为电网提供必要的电压、频率支持，增强电网稳定性。
我国立足于本国电网结构、可再生能源配比等实际情况，在广泛征求风电设备制造商、风电场运营商等各方面意见的基础上，于2012年颁布实施了《风电场接入电力系统技术规定》，要求风电机组在20%的机端电压条件下实现不脱网连续运行至少625ms，同时能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的并网电压谐波畸变率，并为故障电网提供无功电流支持[5]。
可以预见，在不久的将来，风电机组将由原来单纯自身保护的受端系统，逐渐转变为含有辅助服务功第16期年珩等：故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 4185能的有源系统，并具备对存在电压骤变、负序扰动、谐波畸变的典型电网环境的适应和主动抵御能力，以及友好并网运行能力。
双馈风力发电系统采用双馈感应电机(doubly fed induction generator，DFIG)作为发电机，由于其具有励磁变流器容量小、成本低、可变速恒频运行等优势而成为风电场中的主流发电系统，并占据70%~80%的装机比例。
考虑到双馈发电机定子与电网直接相连以及其励磁变流器控制能力有限等实际情况，双馈发电系统并不具有坚强的抗电网扰动能力。
然而，并网规范对风电机组在电网故障下的运行提出了具体的要求与约束，要求风电机组不仅要有效抵御外部电压扰动，还应主动支撑故障电网的恢复[5-8]。
因此，本文以双馈风电系统为研究对象，以电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时严重及长期轻微电网故障为研究背景，以风电场并网规范技术指标为具体要求，列举电网故障下双馈风电系统运行技术的关注焦点，综述电网故障下双馈风电系统的有效控制方案，并对双馈风电系统研究的发展趋势作出预测。
1 双馈风电变流器运行技术关注焦点1.1 概要目前，随着风电机组装机容量的日增以及制造技术的不断成熟，各国的风电并网规范也在做相应的改进性、完善性和预防性更新，其中高电压穿越准则、动态无功电流支持已被写入丹麦、澳大利亚等国风电并网技术规范[6-7]。
因此，本节结合不同国家的风电并网规范，阐述电网故障下双馈风电变流器运行的典型技术要求与关注焦点。
1.2 不脱网运行技术早期的风电并网规范对风电机组故障穿越运行能力的考察集中在低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)方面。
从电压骤降幅度、并网运行时间两方面来看，英国、美国分别要求风电机组能够在并网点电压跌落至15%额定值时持续并网运行140ms和625ms不脱网，而澳大利亚要求在电压跌落为零的条件下持续运行120ms不脱网，即实现零电压穿越(zero voltage ride through，ZVRT)[7]。
我国要求风电机组在20%的机端电压条件下不脱网连续运行至少625ms，可见我国的风电并网规范要求相对保守。
与电压骤降相对应，电压骤升也是一种常见的电网故障。
在2011年2月甘肃酒泉风机脱网事故中，由于局部无功过剩致使电压骤升，进而导致54%的风机出现过电压保护而脱网[8-10]。
目前，澳大利亚、丹麦等国已将高电压穿越(high voltage ride through，HVRT)要求写入并网规范。
表1给出了不同国家低电压与高电压故障穿越规范要求的技术指标，这也是风电并网规范对并网风力发电机组的最基本要求。
表1世界各国风电并网技术规范Tab. I Modern grid codes of different countries国家电压骤降电压骤升骤降幅度/%并网时间/s 骤升幅度/% 并网时间/s 澳大利亚100 0.12 30 0.06 丹麦 80 0.5 20 0.1 英国 85 0.14 — — 美国 85 0.625 — — 中国 80 0.625 — —在实际电网中，常有大功率设备启动、电网短路故障等发生，这些因素造成了电压短时骤降这类最常见的电网故障。
文献[11-12]指出，双馈风力发电机转子过电压峰值常在电压骤变后第一个周期内出现，其峰值大小由转子电压稳态分量和直流暂态分量之间的相位决定，当二者相叠加时最大，而相抵消时最小；短路电流则由与电压骤变幅度成正比的暂态分量和与其成反比的稳态分量构成，与故障类型、故障点位置以及控制系统等因素密切相关。
此外，电压骤升作为另一种常见的电网故障，时常发生在电网故障切除、局部无功过剩的情况下。
文献[13]指出，在电压骤升条件下也会出现直流侧过压现象，但与电压骤降时因发电机电流冲击而产生的机理不同，电压骤升时的直流侧过压主要是由于这种故障下网侧变换器的Boost升压电路工作条件难以满足所引起的。
文献[14-15]指出，电网电压骤升也会引起剧烈的转子电流过渡过程；同时，由于工作点实际电压的抬升，电机磁路会出现饱和、励磁电感下降等负面效应，进而加剧电流冲击。
这些双馈变流器不脱网运行能力的研究为深入探讨双馈发电机暂态特性提供了重要信息，并为分析和确定双馈变流器安全运行区域提供了参考依据，进而为设计科学合理的LVRT与HVRT相互衔接、相互配合的有效控制方案奠定基础。
1.3 电网支撑能力在风电装机比例较高的德国、澳大利亚等国，并网规范除了要求风电机组能主动抵御外部电网扰动外，还要求风电机组能为电网稳定提供支持，4186 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷特别是为电压恢复提供必要的有功、无功支持[8-9]。