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

 

 

為了應對傳統化石能源危機和由此帶來的環境污染問題，開發利用新能源已成為世界各國的共識。其中，風力發電經過近二十多年的開發實踐，已成為公認的最具有商業利用前景的新能源形式之一。

 

根據全球風能理事會的統計報告，2019年全球風電裝機容量為6040萬kW，同比增長19％，全球風電累計裝機容量超過6.5億kW，同比增長10％。

 

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

 

綜合國內外風電技術和產業發展態勢看，有以下幾個基本判斷：

 

1）雙饋仍將是陸上風機的主流機型

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

 

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

 

 

圖1 雙饋風電機組主電路拓撲

2）低短路比已成風電機組接入電網的主要形態

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

 

研究表明，即便電網電壓對稱，當電網阻抗不可忽略時，雙饋風機與電網阻抗的交互作用也會引發系統的小干擾失穩問題。而當電網電壓不對稱時，電網正序、負序阻抗及其序間耦合分量，將與雙饋風機網側變流器（Grid-Side Converter, GSC）、轉子側變流器（Rotor-Side Converter, RSC）之間產生更為復雜的交互作用，其帶來的失穩振蕩風險亟需進行機理分析、量化評估和對策研究。

 

3）負序控制已經成為研究難點和關鍵

由不對稱電網故障或者非線性的牽引供電系統負荷等引起的不對稱電網事故頻發。隨著風電機組并網規模的增大，德國等風電強國的并網導則已明確要求并網風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《風電場接入電力系統技術規定第1部分：陸上風電》也已將該負序控制要求寫入國家標準。然而，為滿足并網導則要求，風機須向電網吸收（注入）規定比例的負序（正序）無功電流，這可能會進一步加劇不對稱電網下雙饋風機電磁轉矩的二倍頻波動，進而危及齒輪箱等風機軸系的運行安全。

 

因此，如何協同雙饋風機GSC、RSC控制，使其既滿足電網導則正、負序無功電流要求，又不超出自身應力約束，成為一項關鍵難題。進一步地，計及負序電流控制后，雙饋風機與不對稱弱電網之間又會引入哪些新的失穩因子尚未可知，相關研究仍處于起步階段，需進行理論和技術攻關。

 

 

圖2德國電網運營商VDE公司制定的標準

本文編自2021年第22期《電工技術學報》，論文標題為“低短路比電網下含負序控制雙饋風機穩定性研究的幾個關鍵問題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。