基于柔性直流并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越策略述

李 丹，劉洪波，蔡婷婷

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)高壓交流輸電并網(wǎng)，交流電網(wǎng)故障會(huì)直接影響風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行.高壓直流輸電以非同步并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)解耦，避免故障在兩系統(tǒng)間傳播.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)能夠?qū)︼L(fēng)電輸出功率進(jìn)行快速靈活的控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)無功功率、穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓；同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的單獨(dú)控制且陸上受端系統(tǒng)的故障不會(huì)傳遞到海上風(fēng)電場(chǎng).這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得VSC-HVDC成為一種理想的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式[1～5].

但與此同時(shí)，風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)會(huì)存在故障穿越的問題，由于風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)故障導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落后，在VSC的故障隔離作用下，風(fēng)電場(chǎng)仍然向直流環(huán)節(jié)注入故障前的功率，網(wǎng)側(cè)換流器(GSVSC)過電流能力有限，而無法將功率輸送至交流電網(wǎng)，累積在直流系統(tǒng)的過剩功率會(huì)導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)電壓急劇上升，危害系統(tǒng)設(shè)備安全和絕緣，甚至導(dǎo)致直流線路跳開、風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)等嚴(yán)重后果.因此，必須采取控制保護(hù)措施使風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)能夠穿越交流電網(wǎng)故障.

對(duì)于上述故障穿越問題，英國(guó)電網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定：當(dāng)交流電網(wǎng)電壓降至30%時(shí)，直流換流站應(yīng)能保持384 ms內(nèi)不脫網(wǎng)運(yùn)行；降至50%時(shí)，直流換流站應(yīng)能保持710 ms內(nèi)不脫網(wǎng)運(yùn)行；降至80%時(shí)，直流換流站應(yīng)至少持續(xù)2 500 ms不脫網(wǎng)運(yùn)行.

針對(duì)交流電網(wǎng)故障下，風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)直流過電壓、風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從快速減少風(fēng)電場(chǎng)輸出功率、應(yīng)用卸荷電路和協(xié)同控制策略三個(gè)層面，探究了提高系統(tǒng)故障穿越能力的方法，并對(duì)各種方法進(jìn)行了仿真分析.本文概述了風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)故障穿越研究的進(jìn)展，遵循現(xiàn)有的導(dǎo)則規(guī)范，對(duì)故障穿越方法進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納分析，并在此基礎(chǔ)上分析了故障發(fā)生的機(jī)理，展望了風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)故障穿越策略的重點(diǎn)研究方向.

1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 基于VSC-HVDC的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)

基于VSC-HVDC的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示.包括網(wǎng)側(cè)換流器、兩個(gè)電纜連接的直流電路和風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器(WFVSC)，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)WFVSC整流后接入直流網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過GSVSC逆變并入無限大交流電網(wǎng)[6].

正常運(yùn)行情況下，GSVSC外環(huán)采用定直流電壓/定無功功率控制模式，作為直流電壓控制器運(yùn)行，維持直流電壓穩(wěn)定.WFVSC采用定交流電壓控制模式[7]，將風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率輸送到直流網(wǎng)絡(luò).

圖1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)示意圖

圖1中，I為直流線路電流，Udc為直流電壓，P2為直流線路有功功率，P1為換流站出口有功功率.

為了時(shí)刻保證控制器處在一種高性能的控制狀態(tài)，文獻(xiàn)[8]采用了一種基于數(shù)據(jù)集相似度的性能評(píng)估與診斷方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)VSC-HVDC控制系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)性能評(píng)估與診斷.

1.2 交流系統(tǒng)故障分析

交流電網(wǎng)側(cè)故障引起電網(wǎng)電壓跌落、GSVSC傳輸能力下降，風(fēng)電功率無法全部傳輸?shù)诫娋W(wǎng)而堆積在直流系統(tǒng)中(P2≠P1)，直接導(dǎo)致直流電壓Udc顯著上升，甚至直流環(huán)節(jié)跳開、風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的嚴(yán)重后果，無法滿足并網(wǎng)導(dǎo)則中對(duì)故障穿越的要求.為了滿足故障穿越的要求，避免故障造成的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等嚴(yán)重后果，可采取減少風(fēng)功率輸出或消耗直流系統(tǒng)過剩功率的策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障穿越.

2 減少風(fēng)電機(jī)組有功輸出提高系統(tǒng)故障穿越能力

2.1 風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)故障信號(hào)的方法

2.1.1 通信方法傳輸故障信號(hào)

交流網(wǎng)絡(luò)電壓和直流電壓可作為判斷故障發(fā)生的依據(jù).交流電壓檢測(cè)由電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)輸出功率計(jì)算出降低因數(shù)，經(jīng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤L(fēng)電場(chǎng)后，風(fēng)機(jī)根據(jù)指令相應(yīng)地減少輸出功率.通信系統(tǒng)如圖2所示.借助通訊系統(tǒng)的故障穿越方法要求風(fēng)力機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器之間具有較高的通信可靠性[9]，而直流電壓檢測(cè)故障信號(hào)基本不依賴通信系統(tǒng)且具有較為快速的響應(yīng)，常用于故障的檢測(cè).

圖2 兩端VSC-HVDC通信系統(tǒng)示意圖

2.1.2 直流電壓檢測(cè)故障

系統(tǒng)發(fā)生交流故障時(shí)，把直流電壓作為故障指示器可以在很大程度上提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度.交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流電壓升高到超過保護(hù)閾值時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站依據(jù)故障信息進(jìn)行調(diào)節(jié)槳距角、提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等相關(guān)操作，輔助系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障穿越.

2.2 槳距角控制

槳距角控制借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)的槳距角，改變槳葉的迎風(fēng)角度與輸入的機(jī)械量，從而控制風(fēng)電機(jī)組的功率輸出[10]，維持系統(tǒng)功率平衡.

風(fēng)電機(jī)組把捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械功率表示為

(1)

式中：PM為風(fēng)力機(jī)組機(jī)械功率；ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角；CP為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；V為風(fēng)速.在系統(tǒng)發(fā)生故障引起電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，如果調(diào)度要求調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)出力，可以通過控制槳距角系統(tǒng)，使風(fēng)電機(jī)組按要求進(jìn)行功率輸出.

槳距角控制的優(yōu)勢(shì)在于從根本上減少了有功功率的產(chǎn)生，解決風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)VSC-HVDC系統(tǒng)的有功功率不平衡的問題.但是槳距角控制動(dòng)作時(shí)間相比電氣調(diào)節(jié)較長(zhǎng)，且存在延時(shí)，無法及時(shí)有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)發(fā)生的短時(shí)間故障.

2.3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

在風(fēng)速較大時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角大小可以改變機(jī)械轉(zhuǎn)矩，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，常通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，改變輸出的電磁功率，屬于電磁過程.

定速風(fēng)力機(jī)可以通過減小電磁轉(zhuǎn)矩來增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速電磁轉(zhuǎn)矩特性為

(2)

式中：V為風(fēng)電機(jī)組端電壓；R1、R2為定轉(zhuǎn)子電阻；X1、X2為定轉(zhuǎn)子電抗；ωs為同步速；s為轉(zhuǎn)差率.式(2)表明，降低端電壓、提高同步速可以減小電磁轉(zhuǎn)矩，其中端電壓隨風(fēng)電場(chǎng)電壓下降而減小，同步速ωs隨風(fēng)電場(chǎng)側(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率的升高而增大.

2.3.1 采用升頻法實(shí)現(xiàn)故障穿越

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器(WFVSC)的快速控制能夠瞬間改變頻率.當(dāng)檢測(cè)到直流電壓超過閾值，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器動(dòng)作提高風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)頻率，降低風(fēng)電機(jī)組輸出功率.

由電力電子變流器控制的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率沒有耦合關(guān)系，無法對(duì)電網(wǎng)頻率作出反應(yīng)[11].如基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組，其對(duì)有功和無功的獨(dú)立解耦控制，使得轉(zhuǎn)速不能有效跟隨系統(tǒng)頻率變化[12]，此時(shí)需要附加快速頻率控制環(huán)節(jié)，把發(fā)電機(jī)出口頻率信號(hào)引入風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，得到與普通感應(yīng)電機(jī)類似的頻率響應(yīng)[13].頻率控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將輸入的機(jī)械功率以動(dòng)能形式儲(chǔ)存，以響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，降低機(jī)組輸出電磁功率.交流電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，釋放儲(chǔ)存的動(dòng)能，系統(tǒng)正常運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組過渡到最大功率跟蹤運(yùn)行狀態(tài).機(jī)組輸出的電磁功率

(3)

式中：Ek為轉(zhuǎn)子動(dòng)能；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

系統(tǒng)頻率不變時(shí)，頻率控制環(huán)節(jié)不作用；系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，修正原有功率控制環(huán)節(jié)，使得風(fēng)電機(jī)組有效響應(yīng)風(fēng)機(jī)側(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率變化，在短時(shí)間內(nèi)增加或減少輸出功率.即在網(wǎng)絡(luò)頻率升高的情況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組吸收部分電磁功率以動(dòng)能形式儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，輸出功率降低.普通異步風(fēng)機(jī)對(duì)頻率變化敏感，風(fēng)機(jī)的有功輸出跟隨頻率迅速變化，有可能產(chǎn)生機(jī)組脫網(wǎng)等不利后果.雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)交流頻率變化不敏感，但是其轉(zhuǎn)子側(cè)連接的背靠背換流器中的電力電子器件對(duì)頻率變化敏感，應(yīng)用升頻法時(shí)需要考慮開關(guān)器件能否承受較大的頻率變化.升頻法的WFVSC控制器，如圖3所示.圖中Vωf為風(fēng)電場(chǎng)出口交流電壓幅值，Vωf_ref為風(fēng)電場(chǎng)出口交流電壓幅值參考值，Udc為直流電壓，Uthr為閾值，kf為頻率調(diào)節(jié)系數(shù).故障時(shí)，WFVSC控制器實(shí)現(xiàn)按一定比例降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率.頻率控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將輸入的機(jī)械功率以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存，響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，降低機(jī)組輸出的電磁功率.交流電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，釋放存儲(chǔ)的動(dòng)能，系統(tǒng)正常運(yùn)行.

文獻(xiàn)[14]為風(fēng)機(jī)的換流器設(shè)計(jì)了基于功率同步控制(PSC)的頻率控制方案，調(diào)節(jié)海上交流工作頻率，由功率同步環(huán)提供快速下垂型頻率響應(yīng)，而無需外部的風(fēng)機(jī)頻率控制器.文獻(xiàn)[15]提出在交流電網(wǎng)故障后提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率，利用頻率控制器使頻率的增加與直流電壓超過閾值的程度相匹配，進(jìn)而降低風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率.在交流電壓跌落80%，持續(xù)400 ms的故障情況下，仿真顯示直流過電壓最大值為1.1 pu，故障期間風(fēng)電場(chǎng)功率降低，約為原來的33%，滿足穿越要求.

圖3 升頻法的WFVSC控制器

采用升頻法實(shí)現(xiàn)故障穿越無需換流器和風(fēng)機(jī)間的通訊，但是含換流器的風(fēng)機(jī)需附加快速頻率控制，存在故障檢測(cè)、頻率測(cè)量的延遲，控制器增益有限等問題，系統(tǒng)需要經(jīng)過一定的時(shí)間來減少輸出功率.

2.3.2 采用降壓法實(shí)現(xiàn)故障穿越

降壓法利用WFVSC控制風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)電壓，在幾毫秒內(nèi)降低風(fēng)電場(chǎng)電壓幅值，風(fēng)電功率自動(dòng)降低.最嚴(yán)重故障下可將風(fēng)電場(chǎng)電壓降至零.

圖4 降壓法的WFVSC控制器

降壓法的WFVSC控制器，如圖4所示.與圖3中的控制器類似，在電壓跌落期間應(yīng)注意，對(duì)于含換流器的風(fēng)機(jī)(雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī))，不允許通過無功電流提供電壓支持，否則會(huì)影響降壓法的作用效果.

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器(WFVSC)控制風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電壓突然降落的現(xiàn)象類似于傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生短路故障的情況.對(duì)于雙饋異步式風(fēng)機(jī)(DFIG)來說，電壓驟降引起含較高直流分量的短路電流，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、IGBT模塊、DFIG的換流器等產(chǎn)生較高的機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)系統(tǒng)失去其可控性.

以上兩種方法都是通過WFVSC的控制來降低風(fēng)電場(chǎng)輸出的電磁功率，注意到風(fēng)電場(chǎng)頻率和電壓變化過大，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力、甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等嚴(yán)重后果.因此，在滿足故障穿越的前提下，要求升頻法、降壓法只能在一定范圍內(nèi)使用.降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率會(huì)引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，為了保證轉(zhuǎn)速不越限，必要時(shí)需要槳距角控制系統(tǒng)配合動(dòng)作.文獻(xiàn)[16]在仿真中設(shè)置了150 ms的三相接地短路故障，并分別測(cè)試了升頻法、降壓法的穿越表現(xiàn)，仿真結(jié)果顯示在故障發(fā)生后50 ms，兩種方法都能降低直流電壓的幅值，限制直流電壓的超調(diào)量在1.05 pu以下，但是故障后的恢復(fù)過程均有不同程度的延長(zhǎng)，并不能保證有 效的故障穿越.文獻(xiàn)[17]中模擬了最嚴(yán)重的故障情況，即故障發(fā)生時(shí)GSVSC的輸出功率立即降至零，由于故障檢測(cè)和頻率測(cè)量的延遲，無法通過頻率控制瞬間降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，此時(shí)直流過電壓超調(diào)量高達(dá)1.45 pu，大大超出保護(hù)閾值1.3 pu，無法滿足故障穿越的要求.因此當(dāng)使用此類方法時(shí)，仍需要卸荷電阻作為附加的保護(hù)設(shè)備，以防直流電壓超調(diào)量過高，損壞直流設(shè)備.

3 卸荷電阻提高系統(tǒng)故障穿越能力

交流電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)可借助卸荷電路消耗累積在直流環(huán)節(jié)的過剩功率，實(shí)現(xiàn)交流電壓不同跌落程度下快速可靠的故障穿越，無需WFVSC與風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)作用，被認(rèn)為是最可靠的故障穿越方法.本小節(jié)從卸荷電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安裝位置、控制方法三方面著手，詳述了這種最可靠的故障穿越方法.

3.1 卸荷電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其比較

文獻(xiàn)[18]中提出了卸荷電路的三種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示.

圖5(a)中的開關(guān)由層疊的串聯(lián)開關(guān)構(gòu)成.卸荷電路投入運(yùn)行時(shí)，串聯(lián)開關(guān)同時(shí)開通，直流電壓全部加在卸荷電阻R上.圖5(b)所示卸荷電路具有模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立單元包含分布式的卸荷電阻R.圖5(c)所示卸荷電路同樣具有模塊化結(jié)構(gòu)，卸荷電阻安置在模塊單元之外，與圖5(a)中的電阻相同.

圖5 三種卸荷電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

卸荷電路圖5(a)由集中式電阻R和串聯(lián)開關(guān)器件組成，結(jié)構(gòu)更加緊湊，需要的半導(dǎo)體器件少.但是開關(guān)器件的直接串聯(lián)會(huì)帶來動(dòng)靜態(tài)均壓、dv/dt和di/dt較大等問題.在設(shè)計(jì)時(shí)，要求卸荷電阻的容量與系統(tǒng)傳輸容量相同，從而在交流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障、GSVSC失去功率傳輸能力時(shí)，WFVSC和風(fēng)電場(chǎng)不受到任何影響.對(duì)于電壓等級(jí)較高，需要串聯(lián)大量開關(guān)器件的直流系統(tǒng)，應(yīng)配備專門且復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，存在實(shí)現(xiàn)難度大和運(yùn)行可靠性差的問題.脈沖調(diào)制作用下，直流電壓全部施加在卸荷電路圖5(a)和圖5(c)的集中式電阻元件上，會(huì)引起產(chǎn)生較大的功率波動(dòng).卸荷電路圖5(c)的模塊化結(jié)構(gòu)使施加在電阻上的脈沖伴隨受控的dv/dt，產(chǎn)生受控的電流脈沖di/dt，使得換流器具有更好的性能.此外，改變分布式卸荷電阻電路投入的子模塊數(shù)目，可連續(xù)調(diào)節(jié)卸荷電路所消耗的功率，實(shí)現(xiàn)階梯式的功率消耗，呈現(xiàn)相對(duì)平滑的工作特性，易于適應(yīng)各種不同程度的故障，同時(shí)也避免了開關(guān)器件的直接串聯(lián)，子模塊越多，功率調(diào)節(jié)越平滑.卸荷電路圖5(b)和圖5(c)的模塊化設(shè)計(jì)為系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同電壓跌落故障提供了較好的擴(kuò)展性.

3.2 卸荷電路安裝位置

卸荷電路可安裝在含換流器的風(fēng)機(jī)中或者VSC-HVDC系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)中.

3.2.1 風(fēng)電機(jī)組安裝卸荷電路實(shí)現(xiàn)故障穿越

圖6 卸荷電阻安裝在永磁直驅(qū)同步發(fā)電系統(tǒng)中

文獻(xiàn)[19]提出在交流系統(tǒng)故障后投入卸荷電路，由卸荷電阻消耗部分風(fēng)機(jī)功率，從而減少注入到直流系統(tǒng)的有功功率.卸荷電阻的安裝位置，如圖6所示.

對(duì)于含全功率換流器(FSC)的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)(WTG)，卸荷電阻可以設(shè)置在風(fēng)力機(jī)的直流回路中.直流過電壓期間，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)VSC-HVDC控制器動(dòng)作，降低HVDC的電壓，減少注入HVDC系統(tǒng)的功率.風(fēng)力機(jī)的輸出功率無法傳輸?shù)絍SC-HVDC系統(tǒng)，堆積在WTG-FSC中的不平衡功率引起直流環(huán)節(jié)過電壓，超過閾值即投入風(fēng)機(jī)中的卸荷電路來消耗過剩功率，維持系統(tǒng)功率平衡.風(fēng)機(jī)側(cè)安裝的卸荷電路電阻阻值以風(fēng)機(jī)側(cè)的額定電壓為基準(zhǔn)，具有分散性小負(fù)荷的特點(diǎn).此方法要求每臺(tái)風(fēng)機(jī)的直流環(huán)節(jié)中都加裝卸荷電路，考慮經(jīng)濟(jì)性和協(xié)同控制的復(fù)雜程度，大多數(shù)學(xué)者更傾向于在VSC-HVDC系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)中安裝卸荷電路.

3.2.2 直流環(huán)節(jié)安裝卸荷電路實(shí)現(xiàn)故障穿越

在故障期間，直流環(huán)節(jié)的卸荷電路消耗累積的過剩功率，維持功率平衡，可以輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障穿越的目標(biāo)[20～22].其作用原理與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的卸荷電路類似.

圖7 直流環(huán)節(jié)安裝卸荷電路的結(jié)構(gòu)圖

直流環(huán)節(jié)安裝卸荷電路的結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示.與風(fēng)電機(jī)組中的分散式小型卸荷負(fù)載不同，直流環(huán)節(jié)中的卸荷電路以高壓負(fù)載的形式并聯(lián)在直流側(cè)高壓直流母線上.故障時(shí)應(yīng)用該保護(hù)方案，風(fēng)電場(chǎng)完全不受影響，風(fēng)機(jī)的輸出功率保持恒定，減少了對(duì)風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力；卸荷電阻的可靠性比較高，但是卸荷電阻工作中浪費(fèi)掉大量的電能，有可能造成電污染；卸荷電路無法短時(shí)間內(nèi)反復(fù)使用、散熱裝置的設(shè)計(jì)困難加大了成本；卸荷電路高昂的成本、卸荷電阻的功率在很大程度上限制了該方法的應(yīng)用.因此，應(yīng)用卸荷電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速可靠故障穿越的同時(shí)，須充分考慮該方法是否滿足具體工程需要.

3.3 卸荷電路的控制

卸荷電路的控制獨(dú)立于主電路控制.當(dāng)直流電壓上升超過閾值時(shí)，控制卸荷電阻投入；故障后電網(wǎng)電壓恢復(fù)且GSVSC繼續(xù)向電網(wǎng)輸出功率時(shí)，GSVSC和卸荷電阻并行操作使直流電壓快速下降至閾值以下，卸荷電路閉鎖.

若VSC-HVDC系統(tǒng)的保護(hù)閾值為Uthr，即認(rèn)為直流電壓Udc超過Uthr時(shí)是過電壓情況.此時(shí)控制器將投入相應(yīng)的電阻消耗過剩功率.當(dāng)Udc大于等于Uthr時(shí)，電阻元件全部投入消耗直流環(huán)節(jié)的過剩功率.當(dāng)Udc小于Uthr時(shí)，控制系統(tǒng)閉鎖卸荷電路或進(jìn)入旁路模式.

4 總結(jié)和展望

本文綜述了風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)在交流電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的一些故障穿越措施，如表1所示.從研究方法著手歸納為以下三個(gè)方面：

(1)快速減少風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，提高系統(tǒng)故障穿越能力.槳距角調(diào)節(jié)屬于機(jī)械調(diào)節(jié)，適用范圍有限且響應(yīng)速度相對(duì)緩慢.升頻法和降壓法在改變風(fēng)電場(chǎng)的電壓和頻率的基礎(chǔ)上降低風(fēng)電場(chǎng)輸出的電磁功率，無需加裝額外設(shè)備，但是過大范圍的電壓、頻率改變將對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生不利影響[23].

(2)故障期間投入卸荷電路來消耗過剩功率，降低直流環(huán)節(jié)的過電壓[24～25].新型模塊化卸荷電路可以連續(xù)調(diào)節(jié)消耗的功率，適用于不同電壓跌落程度的故障，但是安裝卸荷電路所需額外設(shè)備會(huì)大大增加系統(tǒng)成本.

未來電力系統(tǒng)將包含更多基于換流器的新能源發(fā)電，風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)就是其中之一.目前的電網(wǎng)建設(shè)中，風(fēng)力發(fā)電特別是海上風(fēng)電并網(wǎng)工程較多，因此研究風(fēng)電場(chǎng)基于VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其故障穿越技術(shù)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

表1 三種HVDC故障穿越的保護(hù)方案對(duì)比