1.概述
风力发电在前期发展过程中，都以并入大电网为主要应用类型，根据常规风电设计应用经验，风电在电网中所占的比例以10%为安全稳定比例，风电比例过高会造成电网波动，风力机振荡等引起电网不稳定和风力机无法稳定运行。随着风力发电的快速发展，风电在分布式电网中应用的需求越来越强烈，国家能源局在2011年即发文关于分散式接入风电开发通知：“据我国风能资源和电力系统运行的特点，借鉴国际先进经验，在规模化集中开发大型风电场的同时，因地制宜、积极稳妥地探索分散式接入风电的开发模式，对于我国风电产业的可持续发展意义重大。”针对分布式电网的特点，禾望电气在变流器设计中进行了优化，针对现场应用所遇到的问题进行了深入分析，成功实现在分布式电网中的稳定运行。
2.研究背景
霍林河风场位置在内蒙古霍林格勒市郊，由中国风电承建，中电投为最终业主。该地区有丰富的煤矿资源，中电投在该地有多个自营火电厂，利用这些火电厂和风电组成局域电网为自营的冶炼铝厂供电，构建霍林河循环经济示范工程。根据了解到的情况，中电投计划自备火电总容量180万kW，计划风电80万kW，为自营一二三期铝厂供电，最终自己组成微网运行，不与大电网挂网。当前已建成火电约60万kW，2014年中再投入60万kW火电，已经确认建设风电30万kW，由东汽供应，采用2MW双馈机型，变流器由禾望电气提供。目前已经建设投运风电20万kW，剩余10万kW预计2014年低并网。
微电网运行是中电投和电科院、东汽、清华以及禾望几家联合做的一个研究项目，旨在自成电网系统，自发自用，摆脱对电网的依赖。禾望电气作为变流器供应商参与变流器并网适应性研究。霍林河电网除了微电网外，还有负荷为铝厂整流载，电网污染严重情况。系统去年试运行了一段时间微电网模式，风场出现两次大范围脱网事故，脱网故障为主控报电网相角偏差大，造成变桨部分器件损坏。
风电场接入电网拓扑图如图1所示。
3.分布式电网中风机运行问题
（1）风电场无功问题造成弃风损失电量
风力机并入大电网情况风场侧，当负荷大于12万kW的时候，由于铝厂侧林扎线功率因数不合格（0.67），调度要求限电，造成风场弃风电量损失很大。风电场4台SVG（静态无功补偿装置）都满发，也满足不了电网功率因数合格的要求。禾望公司针对分布式电网提供的变流器具备无风下网侧并网，可支持电网无功以及并网最大功率因数达到0.9的能力，风场可以充分利用变流器自身能力实现接入电网无功补偿，有效改善风场电网功率因数。
（2）风力机并入局域网出现的故障
1）相角偏差大造成主控停机保护：2013年12月06日10时12分06秒，夏营地风电场十台风力机报“电网相角差值过大”故障停机，其余备用风力机也均报“电网相角差值过大”故障。联系调度，得知三期铝厂侧调整140MVA整流变，造成电网电压谐振突变。而风力机系统“电网相角差值大”设定为10度动作停机，当电网电压发生较大波动时，达到设定值导致风力机脱网。
2）谐波大引起变频器故障跳机：2013年12月09日11时20分起，夏营地风电场18台风力机报“变频器故障”停机，经分析发现故障时刻风场电网发生谐振，造成变流器检测到电网谐波过大引起滤波电容过电流，触发保护动作。
图1 风电场接入电网拓扑图
4.分布式电网下谐振类型分析
据统计：
1）大电网电压背景谐波分析：11、23次为主，总THDU（电网电压谐波）=0.7%。
2）微网电压背景谐波分析：3、5、11、13、19、23、25、35次为主，THDU=1.2%。
分布式电网下谐波含量较高，谐波频次丰富。
（1）弱网谐振问题
风电并入微网后变流器容易报“网侧滤波电容过电流”故障。分析变流器故障录波波形，发现在故障时刻低压侧电网谐振，电压谐振波形如图2所示。电网振荡频率在19次附近，谐振仅发生在低压侧。分布式电网由于电网较弱，造成风机变流器前段等效阻抗较大，风机端口的短路容量相对较小，因此造成风力机运行时容易发生电网谐振。
图2 变流器故障录波
（2）电网高频谐波问题
分布式电网中由于铝厂谐波污染，电网电压和风力机出口电流、网侧电流、转子电流上存在较大的25、26次谐波。图3为录波器记录的风场三相电网相电压（黄、紫、蓝）和网侧电流（红色）、转子电流（深蓝色）以及风力机上网电流（绿色）。
图3 录波器记录的电流波形
电网电压FFT分析：电网电压总谐波不大，但在25、26次上存在明显谐波（见图4）。
图4 谐波分析(www.xing528.com)
电网上的高频谐波在变流器（风机系统）电容上会产生较大谐振电流。从变流器运行来看，较高次的谐波对控制影响不大，但会在滤波电容上产生危害。
（3）高压电网谐波问题
从图5中可以看出主变空载运行方式下，220kV母线电压中存在24%的11次谐波电压和3%的13次谐波。从以上波形来看，高压侧电网存在较大谐波时，由于谐波比例很高，对风力机系统运行存在较大危害，变流器自身具有电网异常保护，可以及时脱开前端断路器包装变流器自身的安全，那些脱不开电网的变桨，主控等可能会受到破坏性影响。
5.解决方案
针对分布式电网中存在的以上三种类型谐波和谐振情况，变流器需要针对性地采取优化控制策略，调整系统结构，增加保护逻辑等措施，适应分布式电网的环境，实现可靠稳定运行。
（1）针对弱网谐振问题
由于该谐振主要由于分布式电网存在短路容量小、等效阻抗大特性，当风机变流器投入运行时，风力机变流器的LC滤波回路容易与电网等效电感产生谐振，因此变流器需要调整控制参数，优化内部LC滤波器参数，避开谐振频率，以消除谐振，适应背景宽范围的谐波分布，避免电网谐振发生。图6所示为双馈风力机变流器拓扑，方框内为变流器滤波器；图7所示为系统优化配置界面。
图5 主变空载录波图
图6 双馈风力机变流器拓扑
（2）针对电网高频谐波
电网高频谐波对风力机的运行控制不会产生影响，但高频电压谐波在变流器的LC滤波器上产生较大的谐波电流。该谐波电流对电容影响较大，不加抑制会造成电容发热引起故障。通过在LC滤波器上串入电阻，增加滤波器阻尼，可以有效减小滤波电容上的电流，因此分布式应用变流器需要根据谐波情况优化LC滤波器为LRC滤波器。
（3）针对高压电网谐波问题
变流器增加电网谐波含量过高告警信号，通过判断当前电网上谐波情况，给出告警信号，主控利用该告警信号减载停机，保护风力机系统不受电网异常破坏。
图7 参数优化配置表
6.现场验证
通过以上优化控制方案，分布式电网下风力机变流器可以稳定并网运行，各项运行指标满足技术要求。
弱网运行下风力机满发时，变流器运行稳定，Fluke测量电流谐波THDI=1.7%，满足<5%指标要求（见图8～图11）。
图8 电压谐波
图9 电流稀薄
图10 电网电压、上网电流和网侧电流波形
图11 大功率下后台示波器记录的运行波形
7.结束语
分布式电网一般存在电网较弱，谐波较大等情况，同时分布式电网容易受特殊负荷谐波污染，为保证风力机变流器在分布式电网中的稳定运行，需要针对电网的谐波情况和风力机谐振情况，分析谐振类型，针对不同的谐振类型，采取相应的解决方案。通过优化改造，禾望变流器在具有典型分布式电网特色的霍林河风场成功稳定运行，为后续分布式电网大范围应用积累了经验。
（作者：深圳市禾望电气有限公司 王琰）
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