（宁夏电投新能源有限公司，宁夏 吴忠 751900）

无论是从发展趋势、现实要求还是从技术层面分析，电能替代其他不可再生能源消耗，是我国当今能源发展的趋势，符合我国国情。目前，我国的电力生产主要依靠火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电、核动力发电等几种方式。在这些发电方式中，风电逐渐成为我国电力输出的主力军，继火力发电、水力发电之后成为我国第三大电源。

1 现今风电机组系统存在的问题

风电机组在我国近十几年间发展迅速，但在发展过程中依旧有许多不足之处。2016年新修订的《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2016）充分考虑我国现今风电机组的实际技术水平和风电发展规模，为了更好地促进我国电力行业的发展，该技术规定对风电机组耐压、耐频、调压、调频等的相关技术要求比较低。风电场的建立受很多外在因素和内在因素影响，电网如果发生故障，风力发电仪器设备的响应特性对发电的影响不能忽视。所以，风电涉网特性的升级改造是风电机组建设的重点，其主要目的是提升风电并网特性，实现电力系统的实时能量平衡，保证稳定的电压、电流和消纳水平。提升风电并网特性，能够保证电网在短期故障时平稳运行、不发生脱网现象，减少故障发生面积[1]。

就目前技术而言，风电机组投运主要存在三个问题。一是电压稳定性问题，新能源机组与系统的电压调节不能很好参与进来，投运时功率有较大波动，不能保证风电机组的稳定运行，加大了电压稳定的难度。二是频率的稳定性问题，并网运行的新能源机组与系统的调频设备不能很好协作，造成电力系统备用容量增大，进而使调频压力增大。三是电力系统的暂态稳定问题，电力系统受到大干扰，会降低系统的有效转动惯量，从而降低电网的稳定性。

2 高电压故障发生的根源

2.1 直流特高压电网的高电压故障发生根源

直流特高压电网投运后，直流输电会出现很多故障。当故障出现后，直流特高压电网会出现两种故障形态，分别是换相失败和直流闭锁。换相失败在直流特高压电网上表现为直流功率瞬间跌至为零，技术人员排除故障后，直流功率又能迅速恢复正常，在故障排除及时的情况下，这种现象一般持续200 ms左右。出现换相失败后，特高压电网直流从受端到送端的电流传递受阻，会造成送端环流母线电压急剧降低，故障排除后，直流电流传递需要时间，直流无功补偿，将会涌入交流电网，出现暂态过电压，形成直流闭锁。在故障顺利排除后，换相失败造成的直流功率短时中断能够迅速恢复，而一旦发生直流闭锁，这种现象是不可逆的，一般发生于较大的电网事故，会造成直流不能运行。例如，2018年3月22日，巴西发生的特大停电事故就是直流闭锁造成的，这次停电事故造成巴西北部和东北部至少14个州供电中断，共造成18 000 MW负荷损失，巴西境内有大约四分之一的用户停电。

2.2 风电场高电压故障发生根源

风电场高电压故障发生的主要原因是电压过高，电压过高的主要原因是无功补偿方式的不科学或投入电容量不合理。国内风电场主要采用过补偿的无功补偿方式，这种过补偿的方式不容易控制风电场的电压，造成风电场电压偏高。投入电容量不合理是由于风电场出现低电压造成高电压故障。在风电负荷较高或处于满发状态时，风电场电压偏低，变电站技术人员需要向风电场内投入一定量电容来提高风电场系统的电压。电容量一般采用人工投入方式，投入量没有经过科学计算，一旦投入过多会导致电容过调，而对端风电场升压站如果开始调节无功补偿装置升压，两端电压比较高，会导致此节段风电机组接入的馈线网络整体电压高出正常值，导致风电机组无法耐受系统过高电压而发生脱网事故。一旦局部风电机组脱网，风电场高电压系统侧变电站没有及时采取应急措施，风电机组脱网会蔓延整个区域。

3 风电机组高电压穿越技术要求

风电机组高电压的穿越技术是指在电网发生故障或外力扰动使电压不稳定升高时，在故障发生的一定时间内和一定电压区间内，保证风电机组不会脱网还能够保证系统的稳定性。风电机组各设备可以满足高电压耐受要求，在110%～130%额定电压（Un*MERGEFORMAT）范围内通过软件控制实现风电机组高电压穿越，对穿越过程进行全程实时监测，实现穿越过程的可控，保证风电机组系统的稳定运行。其穿越的要点是依靠变流器动态无功控制，利用设备形成的正向电压降，从而实现风电机组高电压的穿越。

3.1 基本技术要求

我国新修订的《风电机组高电压穿越测试规程》（NB/T 31111—2017）对风电机组高电压穿越技术的要求如下：风电机组电压升高至110%额定电压时，能够连续不脱网运行；风电机组电压升高至1.15Un*MERGEFORMAT时，能够连续不脱网运行10 s；风电机组电压升高至1.2Un*MERGEFORMAT时，能够连续不脱网运行2 000 ms；风电机组电压升高至1.25%Un*MERGEFORMAT时，能够连续不脱网运行1 000 ms；风电机组电压升高至1.3Un*MERGEFORMAT时，能够连续不脱网运行200 ms。

3.2 电压升高类型及考核电压

当风电机组发生故障引起电压升高时，风电机组在一定电压区间和一定时间内使系统稳定运行不脱网，保证系统的稳定性，如图1所示。电压升高的主要类型有两种，一种是三相对称电压升高，还有一种是两相不对称电压升高。它们的考核电压均为风电机组测试点线电压。

3.3 有功恢复

电压升高需要及时切出电网的风电机组，如果没有及时切出，等故障排除后，应将风电机组的有功功率快速恢复至故障前实际的输出功率。

3.4 动态无功支撑能力

当风电机组电压升高（保持在110%～130%额定电压）时，风电机组应具备电压升高的快速响应，并通过无功电流注入使电压快速恢复正常。

图1 风电机组高电压穿越技术要求

4 风电机组高电压穿越技术改造要点

4.1 高电压穿越实现原理

一次设备和二次设备均在满足耐压条件的前提下进行变流设备的无功控制，利用设备形成的正向电压降，从而实现风电机组高压电的穿越。风电机组升压站按照无功交换截零的控制方式，调节无功补偿装置升压达到0.1Un*MERGEFORMAT，升压变压器高侧压达到1.3Un*MERGEFORMAT时，低侧压应在1.2Un*MERGEFORMAT左右。

4.2 高、低电压穿越对比

高、低电压穿越故障暂态过电压时，高电压的电压变化幅度小，ΔU*MERGEFORMAT≤0.3Un*MERGEFORMAT，低电压的电压变化幅度大，ΔU*MERGEFORMAT≤0.8Un*MERGEFORMAT；高、低电压穿越故障暂态过电压时，高电压风电机组能量可以正常输出，低电压风电机组能量不能正常输出，两者相比风电机组高电压穿越技术难度较低。

4.3 电气元件高电压耐受要求

要想实现风电机组高电压穿越，首先要保证风电场内各种设备系统（一次设备、二次设备）均符合高电压的耐受要求。全部一次设备和完成低电压穿越UPS供电改造的二次设备供电系统要具备耐受1.3倍高电压的能力。变流器内功率器件是风电机组重要的电气元件，其高电压的耐受要求较高，最大耐受值为1.33Un*MERGEFORMAT。风电机组主要电气元件的高电压耐受要求如表1所示。

表1 风电机组主要电气元件的高电压耐受要求

4.4 主控系统高电压穿越控制要点

风电机组实现高电压穿越的前提是需要变流器和主控系统的相互配合，主控系统内的实时监测系统监测到电压升高信号后，主控系统要开启自我保护机制，绘制电网高电压穿越保护曲线，屏蔽与高电压相关的故障，待故障排出后，恢复正常功能。

4.5 风电机组无功调节技术要求

风电机组接收到电压升高信号后，能在1 s内快速调节无功输出，参与到电网调压中，无功功率调节误差应控制在±0.02Pn*MERGEFORMAT以内，同时主控系统还应开放无功指令控制端口，能够有效接收协调控制系统的无功控制指令,从而能更快做出反应，迅速参与电网调压，在风电机组Qmin*MERGEFORMAT～Qmax*MERGEFORMAT无功处理范围内实现无功调压，使系统电压恢复正常。

5 结语

风电机组高电压穿越技术可以在可控范围内保证风电机组系统的平稳运行，降低故障发生面积，减少资源的不必要浪费，在短时间内找出故障发生原因并及时修复，避免发生风电机组脱网事故，保证风电机组的正常运行。