输电系统的风电装机容量大幅提高要求设备具有故障穿越能力，以便在电网故障时可以维持风力发电。终极目标是让风机像传统的发电厂那样工作。
各国家电网规范之间巨大历史分歧
随着风力发电在全球各国所占的份额逐渐增加，电网规范也必须不断适应国家电力系统的需求。早期的尝试没有任何协调，因此均以失败告终。为全功率变流器系统制定一套规格标准，以使其能够接入电网，这是一项严峻的挑战。
由欧盟资助的欧洲输电运营商联盟（EntsoE）项目旨在建立起统一的新电网规范，使所有欧盟成员国能够支持智能电网和超级电网。EntsoE力图让未来的电网具备更高的安全性，建立运作良好的电力市场以及开发出更多的可再生资源。
在这个促进协调的项目获得成果之前，愈加严格的最新电网规范要求通常仅应用于连接到高压输电网络的大型风电场。尽管如此，对于连接到配电网的风机，本地运行商仍然可以提出自己的规范要求。
现今所有新电网规范都规定风机应该以一种与常规发电站类似的方式来促进电力系统的控制，包括频率控制和电压控制。因此，这些规范关注于风电场在电力网故障情况下的表现。其重点在于风电场互相连接的要求，包括其在电网扰动（故障穿越）、有功和无功功率调节、系统电压/频率限制、电压和功率因数调节以及频率控制等方面的表现。
故障穿越的目的
风力发电装机容量在输电系统中日益增长的份额，要求风力发电方式必须在电网发生扰动的情况仍能保持正常工作。
因此，所有国家规范规定，在一定时间内，风电场必须能够承受电压在额定值附近某一百分比范围内的上升或下降。某些国家的电网甚至规定这个百分比为0%。这种规定被称为故障穿越，或者低电压穿越。这些要求取决于每个国家自身的电力和保护系统的特定性质。
故障穿越的要求包括，在系统电压恢复到正常工作水平之后， 有功功率和无功功率能够快速恢复到故障前的值。某些规范要求，电网在故障期间需要注入无功电流，并且将短路电流分送出去，从而支持电网的运行。
尽管各个国家的电网规范之间差异很大，但是故障穿越要求一般应用于高压电网的连接点中。将升压变压器以及连接线的典型阻抗值考虑在内，低电压水平下风机附近的相应压降可能是5~15%以上，而高压水平下的压降可以降低到接近0%。某些电网规范甚至规定要有专用的故障类型检测以及能在额定时间跨度内承受数次压降。
无功功率的支持以及有功功率的恢复
故障穿越要求，在系统电压恢复到正常工作水平之后， 有功功率和无功功率能够快速恢复到故障前的值。某些电网规范还额外要求在故障期间要有无功功率和有功功率的支持。
无功功率支持意味着风电场必须维持电网的电压，在电压降低的时候增加无功功率的产生（容性无功电流），在电压升高的时候增加无功功率的消耗（感性无功电流）。
如果电网规范要求在电压降低的时候同时注入有功电流和无功电流，那么发电设备的有功电流会使得电网的短路电流上升。在电压降低期间馈入的短路电流总是由电网运行商来确定。有功功率的恢复率也可以由多种方式来指定。这个要求是基于本地电网的特性：有功功率的恢复对在弱电网中稳定系统而言更为关键。
有功功率与频率控制
有功功率和频率控制指的是风电场通过断开风机连接或者变浆控制的方式，将输出功率调节到预定义水平的能力，也称为有功功率削减。此外，风电场必须提供频率响应，根据某特定斜率的频率偏差来调节有功功率输出。几乎所有电网规范都提出，应该使用有功功率削减或者功率斜率限制来控制风电场不同频率的偏差。
电压和频率工作范围
风机的电压和频率工作范围保证了当电压和频率在一段限制时间内超过正常工作极限，或者输出功率能力下降时，风机能够保持正常工作。电网运营商在连接点处指定频率和电压的限制值，如果在某一给定的时间内超过了这些限制，那么发电设备会自动从电网断开。不同的电网规范对电压和频率工作范围的规定存在很大差异，即便是在同一个国家，这些规定也会有所不同。
故障穿越测试的目标
故障穿越性能测试的目的在于为斯维奇全功率变流器压降响应的功率品质特性提供信息。通常，故障穿越测试作为一个认证测试，会与风机的安装相结合，但是斯维奇的出厂测试证明，即使在最坏的情况下，全功率变流器在经历各种不同的电网故障时仍能保持连接。
2011年1月在芬兰万塔进行的故障穿越测试达到了关于1.5MW变流器的预定文档以及电网技术规范的要求。该测试中由斯维奇进行的测量和分析过程提供了一致和可重复的结果。
故障穿越测试设置
该测试的拓扑结构采用了一台连接到永磁发电机的全功率双向变流器。它使用另一台完全相同的全功率双向变流器供电，这样便可模拟对称和不对称的电压故障。参看图1。
图1：斯维奇全功率变流器的故障穿越测试台
测试规范
斯维奇的故障穿越测试符合当今世界上最严格的电网规范。这些规范包括E.ON 2006、输电规范2007、中国电网规范2008以及当今最严格的欧洲要求 – BDEW 2008。测试的目标是保证斯维奇的故障穿越能力满足现有的所有国际要求。
故障穿越功能性测试覆盖了对称的三相压降、不对称的双相压降以及完全可控的电压水平。
测试程序
当全功率变流器运行在0.1 Pn ~ 0.3 Pn之间，以及超过0.9Pn 的时候，记录风机对压降的响应。结果来自两次连贯的测试，包含大量测试点以充分反映不同的故障类型。
图2： 测试点以及边界为低压/中压/高压的不同电网规范
对于运行在超过0.9Pn的测量，安排在全功率变流器终端上进行。对于临时压降VD7，变流器以此期间的容性无功电流补偿作为响应。图2显示了对称和不对称的压降条件下，全功率变流器在这一段长时间稳定运行过程中的波形、有功功率、无功功率、正负电压序列曲线。由此我们可以看到，随着压降的持续，全功率变流器表现出了不容置疑的稳定性。
图3：测试结果表现出全功率变流器卓越的稳定性能。这里是运行在超过0.9Pn情况下，压降程度为额定电压的0%并持续3秒。
故障穿越测试表现出超凡的动态功率控制
测试结果表明，斯维奇全功率变流器技术在电网故障期间具有出色的动态功率控制能力。该变流器在各种类型的故障期间均能保证电气连接，零电压穿越更是彰显其出色的性能。此外，该全功率变流器能在压降期间以无功电流来支持电网。有功电流用作稳定电网频率，而无功电流用以稳定电网电压。参看图3。
Lasse Kankainen
斯维奇研发工程师
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