风电场机组惯量改造与高电压穿越能力提升研究
 赵铁印、何刚、邓国伟
（湖北能源集团齐岳山风电有限公司，湖北利川  445400）

摘要

大风电大规模并网对能源结构调整升级具有重要意义，但目前双馈感应风机、直驱永磁风机等主流机型存在虚拟惯量不足、高电压穿越能力弱等问题，影响电网安全稳定运行。本文基于风电场运行数据，分析机组惯量与高电压穿越核心问题之间的相关性及风机惯量改造、高电压穿越提升过程中遇到的瓶颈，提出风电场机组惯量改造及高电压穿越提升建议，通过改进控制策略、硬件参数调整及储能协同支撑作用，提升机组惯量支撑能力及高电压穿越性能。研究成果可为风电场机组改造工程提供参考依据，有助于风电大规模、高比例并网下电网安全稳定运行，助力新能源高质量发展。

关键词：风电场；惯量改造；高电压穿越；虚拟惯量控制

引言

双碳目标下，风电作为清洁、可再生的重要能源，其并网规模不断扩大，占比也随之增加。风电场机组与传统同步发电机在本质上不同，风机多采用电力电子变流器并网，风机自身转动惯量小，风电场机组本身没有惯量支撑，风机惯量较小，并网后电网频率调节能力下降，电网频率更容易出现波动甚至崩溃。电网故障、雷击等工况下，容易引起电压快速升高，风机高电压穿越能力不足，会引起电网保护动作，风机大量脱网，引起电网振荡，严重威胁电力系统安全稳定运行。目前，我国风电场存量机组惯量普遍不足，高电压穿越能力参差不齐，难以适应高比例风电并网的电网运行需求。破解技术瓶颈，开展风电场机组惯量改造、高电压穿越能力提升研究，优化改造策略，对于提高风电并网安全性、促进新能源产业可持续发展具有重要的理论和现实意义。

一、相关概念

（一）风电场机组惯量改造及流程

风电场机组惯量改造是通过机组成机械部分改造、控制部分改造及惯量支撑装置(储能部分)增改措等措施，提高风电机组惯量支持水平，以满足电网频率调节需求的一系列技术改造措施，旨在解决风电机组惯量天然不足的特点，增强电网频率支撑水平^[1]。机组惯量改造应根据机组类型、使用年限及电网接入条件，开展“诊断检测-方案设计-实施改造-调试验收”等措施，针对性提高风电机组对电网频率偏移的支撑水平。诊断检测是从机组惯量水平、机组转子转动特性及虚拟惯量支撑控制等方面诊断当前机组惯量支持水平。方案设计是根据诊断结果，针对性提出机械部分改造、控制部分改造、储能装置增改措施等方案。实施改造是从设备安装、调试及软件调试等方面，实施方案设计措施。调试验收是进行惯量支撑效果调试及并网调试。其主要流程如下^[2]：

图1风电场机组惯量改造及流程

（二）高电压穿越能力概述

高电压穿越是保证风电机组并网运行的重要安全性指标，当电网发生故障(如雷击、线路短故障后切除)使电压瞬时升高时，风电机组在规定的电压等级及时间范围内能够保持并网运行，机组输出功率、定子电流、直流母线电压等控制在国标允许的范围内，不引起过压保护动作、不脱网的能力。按照我国风电并网相关标准要求，风电机组在电网电压达到1.15倍额定电压时，至少要并网运行不低于0.5秒；电压达到1.2倍额定电压时，至少并网运行不低于0.1秒，以保证电网故障恢复期间风机稳定运行，避免由于风机大量脱网而加剧电网振荡^[3]。

二、风电场机组惯量改造与高电压穿越能力现状及问题

（一）现状

目前我国风电场普遍安装有双馈感应风机和直驱永磁风机，且大部分为早期建设的项目，面临惯量支撑不足、高电压穿越能力弱的问题。对于惯量方面，大部分早期风机没有对惯量支撑进行设计，风机虚拟惯量控制策略不合理，转子转动惯量小，无法支撑电网频率，尤其当风机集群并网后，电网频率调节难度大幅增加。对于高电压穿越方面，部分机组未对过压保护和调节装置进行设计，变流器参数的整定不合理，电网电压骤升时，容易出现直流母线过压、定子电流超标等高电压穿越能力不满足要求的现象，导致风机脱网^[4]。随着风电并网标准的不断完善，目前新建风电场机组对惯量设计和高电压穿越能力要求有所提高，但大部分早期机组面临改造需求，而部分改造方案不够有针对性，无法有效提高惯量和高电压穿越能力，总体上仍然难以满足高比例风电并网的要求^[5]。

（二）核心问题分析

1. 惯量支撑能力不足，频率调节响应慢。目前风电场中大部分机组虚拟惯量控制逻辑简单，未根据机组自身状态和电网需求进行优化，虚拟惯量对频率响应速度较慢，难以在电网频率发生变化时，及时进行惯量支撑。另外部分机组转子转动惯量较小，机械优化空间不足，软件控制难以提供电网频率所需惯量支撑，特别是在风电出力波动较大时，惯量支撑能力不足将导致电网频率漂移超出允许范围，导致电网失稳。

2.高电压穿越硬件设施不足，调节能力弱。部分风电场存量风电机组无高电压穿越装置，采用变流器过压保护关断进行高电压穿越，调节精度低，当电网电压骤升幅值较大时，难以快速将电压、电流调节到允许范围内。变流器igbt模块耐压等级不足，直流母线电容容量小，电压骤升时，易出现器件损坏、电容击穿，导致风机脱网。

3.惯量改造与高电压穿越缺乏联动。目前很多风电场的改造都是简单“加料”，只做惯量改造不提高高电压穿越水平，或者只优化高电压穿越装置而不考虑惯量支撑。这种“各自为战”的方式，导致两者无法联动，相互增强效果。比如，在进行惯量改造时，优化变流器控制以提升穿越能力时，没有兼顾优化高电压穿越时的调节作用，可能导致电压骤升时机组反应失控；而优化高电压穿越装置时，也没有考虑到机组的惯量输出，导致频率支撑能力下降。这并不能带来风电场整体水平的提升。

三、风电场机组惯量改造与高电压穿越能力提升策略

（一）优化虚拟惯量控制策略，强化频率支撑能力

第一，通过优化虚拟惯量控制策略，增强机组惯量支撑能力，应根据机组运行及电网情况，建立动态自适应控制模式。首先，建立风机运行状态判别模型，获取风机转子转速、输出功率及电网频率等信号，采用大数据分析及处理技术，实时判别电网频率变化情况，适时调整虚拟惯量控制参数，实现虚拟惯量的动态自适应控制。例如，当电网频率下降时，快速增大虚拟惯量输出，增大机组释放其储存能量的速度，减小频率下降程度；当电网频率上升时，快速减小虚拟惯量输出，增大机组吸收过剩能量的速度，减小频率上升程度。第二，采用协同控制算法，实现风电场内多台风机惯量协同支撑。根据每台风机运行状态及惯量储备情况，合理分配惯量调节任务，避免单台风机过载，提高整体惯量支撑效果。第三，优化虚拟惯量及一次调频协同配合。将虚拟惯量控制与机组的一次调频功能相结合，缩短频率调节时间，提高调节精度。

（二）完善硬件改造配置，提升高电压穿越调节能力

 提高高电压穿越能力的首要措施是对机组进行硬件改造，根据机组实际情况配置适合的专用装置，优化相关硬件参数。首先，加快变流器的硬件升级。采用更高耐压等级的igbt模块，增大直流母线电容容量，提高变流器的过压承受能力和调节能力，避免电压骤升时导致器件损坏、电容击穿等现象。其次，加装专用的高电压穿越装置。在电网电压骤升时，安装在电网侧的卸荷装置能够迅速吸收有功功率，避免直流母线电压升高；安装在机组侧的动态电压调节器能够调节机组输出电压，使电压、电流保持在允许范围内。最后，合理配置机组滤波装置。增大滤波电容、电感的容量，抑制电压骤升带来的谐波，减少谐波对机组的干扰，提高机组运行稳定性

（三）构建协同优化体系，实现二者同步提升

要兼顾惯量改造和高电压穿越提升，需要建立二者协同优化体系，避免单一优化，实现技术融合和协同发力。一是建立惯量和高电压穿越协同控制模型，在优化虚拟惯量的同时，考虑高电压穿越的调节约束，避免惯量改造影响机组高电压穿越性能；在优化高电压穿越装置时，考虑惯量支撑的约束，避免穿越装置运行影响机组惯量输出。例如，在变流器控制策略中，增加电压骤升识别模块，当检测到电网电压骤升时，调整虚拟惯量输出，维持机组功率稳定，并启动高电压穿越调节装置，抑制电压、电流超标。二是根据风电场实际情况，制定合理的协同改造方案，综合考虑机组类型、运行条件、电网接入条件，合理选择惯量改造和高电压穿越提升的方案，避免“一刀切”。例如，直驱永磁风机可重点优化虚拟惯量控制策略和变流器参数，结合储能装置提升惯量支撑和高电压穿越能力；双馈感应风机可加装转子侧卸荷装置，同时优化虚拟惯量协同控制，实现二者同步提升。

结束语

风电场机组惯量改造及高电压穿越是解决高比例风电并网电网稳定性的关键，是助力新能源高质量发展的重要举措。本文系统研究了风电场机组惯量改造及高电压穿越的相关概念、现状问题及优化策略，明确了机组惯量与高电压穿越的内在联系，梳理了当前惯量改造中惯量支撑不足、硬件配置不全、缺乏协同、方案不匹配等问题，提出了控制策略优化、硬件配置补全、协同体系构建的优化策略，实现了机组惯量改造及高电压穿越的协同优化。研究发现，通过科学合理的改造措施，可以有效提高风电机组惯量支撑水平及高电压穿越性能，降低风机脱网风险，有利于电网安全稳定运行。后续可结合新能源技术发展，探索储能与风机协同、智能控制等新技术在改造中的应用，优化改造方案，降低改造成本，为风电场机组改造提供更加高效、低成本的路径，助力“双碳”目标实现。同时，加强行业标准的落地，推动风电场机组改造有标准可依，规范化、标准化推进，整体运行水平的提升，促进风电产业持续健康发展，提高国内风电产业的高速发展。

参考文献

[1]刘子文, 吕晓举, 叶拓然, 张犁, 吴峰. 考虑风速不确定性与风机转子延迟响应的风电场可用惯量评估方法[J]. 中国电机工程学报, 1-15.

[2]秦国鑫, 于锡平, 张师. 风电场虚拟惯量控制对系统静态稳定性的影响分析[J]. 电气开关, 2025, 63 (06): 74-76+80.

[3]尹纯亚, 徐大成, 李凤婷, 李笑竹, 韩璐, 蒋江波. 基于主从博弈的风电场虚拟惯量辅助服务动态定价与优化分配策略[J]. 电力系统保护与控制, 2025, 53 (21): 121-132.

[4]罗萍萍, 陈杰. 计及风电虚拟惯量的电力系统等效惯量估计[J]. 电力科学与技术学报, 2025, 40 (04): 1-11.

[5]韩宏志, 庄能. 风电机组参与电网频率调整技术研究[J]. 科技创新导报, 2018, 15 (17): 59-60.

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