中國(guó)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(bào)》上撰文，分析低短路比電網(wǎng)下含負(fù)序控制雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵問(wèn)題，從阻抗建模、穩(wěn)定性分析、控制策略改進(jìn)等方面，提出相應(yīng)的解決方案，并對(duì)相關(guān)技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行討論和展望。
為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石能源危機(jī)和由此帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)利用新能源已成為世界各國(guó)的共識(shí)。其中，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過(guò)近二十多年的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，已成為公認(rèn)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(huì)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2019年全球風(fēng)電裝機(jī)容量為6040萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)19％，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)6.5億kW，同比增長(zhǎng)10％。
2019年我國(guó)風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)2 574萬(wàn)kW（含陸上風(fēng)電新增裝機(jī)2 376萬(wàn)kW），同比增長(zhǎng)21.7%，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.1億kW（含陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.04億kW），風(fēng)電裝機(jī)占全部發(fā)電裝機(jī)的10.4%。風(fēng)電穩(wěn)固保持在我國(guó)除水電之外第一大可再生能源的戰(zhàn)略地位。可以預(yù)見(jiàn)，今后一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電仍將保持較快的增長(zhǎng)速度。
綜合國(guó)內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)看，有以下幾個(gè)基本判斷：
1）雙饋仍將是陸上風(fēng)機(jī)的主流機(jī)型
在各種類(lèi)型的并網(wǎng)風(fēng)機(jī)裝備中，雙饋型風(fēng)電機(jī)組（主電路拓?fù)淙鐖D1所示，下文簡(jiǎn)稱(chēng)“雙饋風(fēng)機(jī)”）由于具有勵(lì)磁變流器容量小、成本低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期占據(jù)風(fēng)機(jī)市場(chǎng)2/3以上份額。
隨著整機(jī)廠(chǎng)商Siemens Gamesa在2017年11月宣布其陸上風(fēng)機(jī)將放棄直驅(qū)技術(shù)而推行雙饋技術(shù)，國(guó)際三大風(fēng)機(jī)制造商Vestas、Siemens Gamesa、GE的陸上風(fēng)機(jī)將全部采用雙饋技術(shù)路線(xiàn)。因此，圍繞雙饋風(fēng)機(jī)的技術(shù)探索，必將繼續(xù)成為未來(lái)一個(gè)時(shí)期風(fēng)電領(lǐng)域的焦點(diǎn)和前沿課題。
圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組主電路拓?fù)?/div>
2）低短路比已成風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)
由于我國(guó)風(fēng)電資源和電力負(fù)荷的逆向分布特性，風(fēng)電機(jī)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(jī)組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)。然而，現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)通常基于堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)（stiff grid）設(shè)計(jì)，未充分考慮大規(guī)模集中式開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送等風(fēng)電開(kāi)發(fā)模式下長(zhǎng)輸電線(xiàn)路的阻抗因素。
研究表明，即便電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)，當(dāng)電網(wǎng)阻抗不可忽略時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)阻抗的交互作用也會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的小干擾失穩(wěn)問(wèn)題。而當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)，電網(wǎng)正序、負(fù)序阻抗及其序間耦合分量，將與雙饋風(fēng)機(jī)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(lái)的失穩(wěn)振蕩風(fēng)險(xiǎn)亟需進(jìn)行機(jī)理分析、量化評(píng)估和對(duì)策研究。
3）負(fù)序控制已經(jīng)成為研究難點(diǎn)和關(guān)鍵
由不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障或者非線(xiàn)性的牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷等引起的不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)事故頻發(fā)。隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)規(guī)模的增大，德國(guó)等風(fēng)電強(qiáng)國(guó)的并網(wǎng)導(dǎo)則已明確要求并網(wǎng)風(fēng)機(jī)需具備故障穿越和負(fù)序電流控制能力，如圖2所示。
2020年上半年，我國(guó)修訂版《風(fēng)電場(chǎng)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(fù)序控制要求寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。然而，為滿(mǎn)足并網(wǎng)導(dǎo)則要求，風(fēng)機(jī)須向電網(wǎng)吸收（注入）規(guī)定比例的負(fù)序（正序）無(wú)功電流，這可能會(huì)進(jìn)一步加劇不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的二倍頻波動(dòng)，進(jìn)而危及齒輪箱等風(fēng)機(jī)軸系的運(yùn)行安全。
因此，如何協(xié)同雙饋風(fēng)機(jī)GSC、RSC控制，使其既滿(mǎn)足電網(wǎng)導(dǎo)則正、負(fù)序無(wú)功電流要求，又不超出自身應(yīng)力約束，成為一項(xiàng)關(guān)鍵難題。進(jìn)一步地，計(jì)及負(fù)序電流控制后，雙饋風(fēng)機(jī)與不對(duì)稱(chēng)弱電網(wǎng)之間又會(huì)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(jìn)行理論和技術(shù)攻關(guān)。
圖2德國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(bào)》，論文標(biāo)題為“低短路比電網(wǎng)下含負(fù)序控制雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性研究的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。
