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风机故障穿越失败导致大面积连锁脱网，严重威胁电力系统的安全稳定运行。撬棒是双馈风电机组广泛采用的故障穿越方案，但存在可控性差、转矩脉动大和吸收无功多等固有缺陷，难以适应日趋严格的电网标准。近年来，国内外学者针对无撬棒故障穿越技术开展了广泛研究，并提出了一系列控制方法，但鲜有针对该研究工作进行归纳整理和分析总结。 为此，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）、哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院、深圳市禾望电气股份有限公司的朱东海、邹旭东、胡家兵、康勇、周党生、张东来，在2022年第19期《电工技术学报》上撰文，整理了各国电网标准中故障穿越相关的最新技术规范，梳理了双馈风电机组实现无撬棒故障穿越的技术要点，并对技术现状进行了分类与对比。最后，从新的技术规范、新的运行场景和新的控制模式等方面对未来发展方向进行讨论与展望。
随着能源危机、环境污染和气候变化等问题的日益突出，大力发展风电已成为世界各国贯彻国家能源安全和低碳化战略的重大需求。近年来，风电在全球范围内发展迅猛，风电正逐渐成为电力系统的重要电源。不同于传统发电，风力发电广泛采用电力电子变换器接入电网，对电网电压波动的抗扰性差，易于故障穿越失败而发生风电大面积连锁脱网事故，严重危害电力系统的安全稳定运行。故障穿越已成为风电大规模开发利用亟待解决的关键问题。
在诸多风电机型中，双馈风电机组因具有变速恒频运行和变流器容量小等优点，已占据国内60%以上的市场份额，是当前最主流的风电机型。然而，双馈风电机组的定子绕组直接并网，对电网电压波动非常敏感，实现故障穿越也最为困难，双馈风电机组的结构示意如图1所示。为此，国内外学者提出了一系列硬件保护方案，例如：在转子侧接入撬棒（Crowbar）、直流斩波器（DC-Chopper）、储能装置等，在定子侧接入动态电压恢复器（Dynamic Voltage Regulator, DVR）、额外并网变换器、故障限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）和统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）等。
其中，撬棒装置因成本低且控制简单而备受青睐，是当前应用最为广泛的故障穿越方案。但是该方案存在一些固有缺陷，一方面会产生极大的电磁转矩脉动，危害风机轴系健康；另一方面风机会失去可控性，并从电网中吸收大量无功，加剧恶化电网电压，撬棒投入时转矩和无功的实验波形如图2所示。随着各国电网对风电主动参与系统调节需求的日益迫切，传统的撬棒保护方案将难以适应日益严苛的风电并网标准和新型电力系统的建设需要，发展无撬棒故障穿越技术具有重要的理论意义与应用价值。
图1 双馈风电机组的结构示意图
图2 撬棒投入时转矩和无功的实验波形
近年来，无撬棒故障穿越技术蓬勃发展，受到国内外学者的广泛关注，进行了理论分析并提出了一系列无撬棒故障穿越控制方法，如优化控制指令的电感模拟控制、优化控制器的H∞控制、优化前馈项的暂态电流前馈控制、优化被控对象的虚拟电感、优化控制结构的磁链跟踪控制等。
这些方法均可实现无撬棒故障穿越，但是其解决思路和手段各不相同，有必要对现有技术方案进行归纳整理和分析总结，以便相关研究学者快速了解该技术领域的研究背景、技术现状与最新动态。虽然已有文献对电网故障下风力发电的电网标准、热点问题、运行控制、穿越技术、电流控制进行综述，但上述文献并非专门针对无撬棒故障穿越技术这一主题。
为此，强电磁工程与新技术国家重点实验室的研究人员针对双馈风电机组无撬棒故障穿越技术进行了综合性回顾、总结与展望。他们梳理了世界各国电网标准中故障穿越相关的最新技术规范，分析了暂态过电流的产生机理和无撬棒故障穿越的技术要点。并从电流控制环的优化环节入手，将现有穿越控制方法分为修改控制器、优化被控对象、优化前馈项和优化电流指令四类，并进行了对比分析与总结。
研究人员指出，电网标准中故障穿越相关技术要求主要分为不脱网运行与无功支撑两类。虽然各主要国家的具体技术指标不尽相同，但是要求都是越来越严，例如：要求穿越的故障深度和类型越来越多，需要提供的无功支撑能力也越来越高。而双馈风电机组实现无撬棒故障穿越控制的技术要点关键在于：①有限变换器容量约束下暂态控制指令的准确设计；②多种频率共存和高EMF工况下暂态控制指令的精确实施。
另外，从故障前后电流指令是否一致的角度上看，已有故障穿越控制方法主要分为维持指令型和优化指令型故障穿越控制方法两类，其中前者的优化思路主要有修改控制器、优化被控对象和优化前馈项三种。此外，前者主要适用于轻度电网故障，后者更适合严重电网故障。
研究人员表示，从新的技术规范、新的运行场景和新的控制模式等三个层面上看，预测无撬棒故障穿越控制技术的未来发展趋势和研究热点主要有：面向高电压/连续故障穿越、快速无功响应与负序无功支撑等技术要求下故障穿越控制的优化，适应弱电网和直流送出场景的新型故障穿越控制方法，虚拟同步控制下双馈风电机组的新型故障穿越控制技术。他们在文中对无撬棒故障穿越技术的发展方向进行了讨论与展望。
1）面向电网标准新要求的故障穿越控制技术
以我国最新的风电并网标准GB/T 19963—2021为例，在故障穿越技术要求的更新之处主要包括：①在不脱网运行方面，新增了高电压穿越和连续故障穿越的技术要求；②在无功支撑方面，提高了无功响应时间（75ms提升至60ms），新增了负序无功电流要求。可以看出，新国标对故障穿越类型和无功支撑能力均提出了更高的技术要求，双馈风电机组故障穿越控制技术的升级改造十分迫切。
虽然国内外学者已提出多种故障穿越控制方法，但大多针对低电压故障，能否转化用于高电压故障和连续故障工况仍有待进一步研究。并且电网电压的骤升和连续波动往往出现在低电压穿越之后，低电压穿越控制会对后续阶段的暂态特性和控制设计产生重要影响，因此需要对整个穿越过程进行统一建模、综合分析与协同控制，这将是未来故障穿越技术的研究热点和重要发展趋势。
此外，随着电网标准对负序无功电流和无功响应时间等技术要求的日益严苛，如何充分利用变换器容量来优化分配转子电流的正序、自由和负序分量，提出可协同实现抑制故障电流、快速衰减磁链和负序电流支撑等多重目标的新型故障穿越控制方法，将是另一个重要发展趋势。
值得说明的是，考虑到双馈风电机组的变换器容量有限，对故障穿越控制与风机硬件参数进行协同设计也许是破解上述难题的另一把“金钥匙”，或者将故障穿越控制与硬件保护/无功补偿装置相结合以实现取长补短，也可能是未来故障穿越技术的重要发展趋势。
2）适应弱电网场景的故障穿越控制技术
由于我国风能资源与负荷中心在地理上呈逆向分布，大型风电场大多位于电网末端的“三北”地区，且广泛采用远距离输送的风电消纳模式，因此弱电网是风电机组面临的典型场景之一。然而，风电机组与弱电网会通过并网点电压产生复杂的交互作用，易于造成风电机组在正常运行工况下小扰动失稳和电网故障工况下暂态失稳，如图3所示。
图3 双馈风电机组与弱电网交互作用的示意图
此外，相比于小扰动失稳，暂态失稳问题更为复杂，这是由于故障穿越控制和电网电压跌落会进一步加剧交互耦合作用，并且需要考虑非线性的影响。目前，双馈风电机组的故障穿越控制均严重依赖强电网条件，在弱电网场景下存在暂态失稳风险，可能导致故障穿越控制失效而保护脱网。因此，研究弱电网下计及暂态稳定性约束的新型故障穿越控制方法具有重要的研究价值与现实意义。
3）适应直流外送场景的故障穿越控制技术
建设千万kW级大型陆上/海上风电基地，利用超高压直流送出是我国风电开发利用的主要形式。目前，我国已投运的直流输电工程仍以电网换相换流器型高压直流（Line-Commutated Converter High Voltage Direct Current, LCC-HVDC）为主。然而，LCC-HVDC在受端电网故障下易发生换相失败问题，此时风电场与直流系统之间会出现不平衡的无功交换，将导致送端交流电压呈现出“先降后升”且电压幅值连续变化的复杂特性，易于导致风机故障穿越失败并造成风电连锁脱网，但以往的风机故障穿越控制鲜有考虑该工况。因此，LCC-HVDC换相失败对双馈风机的故障穿越控制技术形成了巨大考验，这将是未来重要的研究方向之一。
此外，随着柔性直流输电技术的快速发展与进步，风电经柔性直流送出方案已被广泛应用于在建工程，在受端交流侧故障或直流侧故障下双馈风机与柔性直流系统的联合故障穿越技术也将是后续重要发展趋势。
4）虚拟同步控制下双馈风机故障穿越控制技术
风电机组广泛采用基于锁相同步的矢量控制方法，不具备传统同步发电机的惯量和阻尼特性，难以对电网提供有效的频率和电压支撑。为此，借鉴大电网百余年形成的同步运行机制，虚拟同步控制技术应运而生，它通过模拟传统同步机的运动方程来提供虚拟惯量和阻尼，进而可以主动参与系统调节，提高新型电力系统的电压和频率稳定性。因此，虚拟同步控制技术也被认为是风电机组友好并网控制技术的重要发展趋势之一。
然而，对于虚拟同步控制的双馈风电机组而言，其转子电压幅值将由端电压或无功控制为目标的励磁控制调节产生，无法在电网故障时快速生成适当的转子电压以抵消EMF扰动，进而易于出现暂态过电流问题。
此外，为模拟同步机的转子运动方程，虚拟同步控制通常被设计为慢动态响应特性，进而难以在故障穿越期间快速提供无功电流，以支撑电网电压的恢复。因此，过电流抑制能力差和快速无功支撑能力弱是虚拟同步控制下双馈风电机组故障穿越面临的严峻挑战，可以预见随着虚拟同步控制的快速发展与广泛应用，其故障穿越技术将成为另一个研究热点。
本文编自2022年第19期《电工技术学报》，论文标题为“双馈风电机组无撬棒故障穿越技术研究综述”。本课题得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项经费的支持。
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