短路點電氣距離對并網風電場低電壓穿越效果仿真分析

劉永貴，顏光龍

(東方電氣集團東風電機有限公司，四川樂山614802)

基于雙饋感應電機的變速風電機組由于其具有變速運行的特性，能夠提高風電機組的風能轉換效率，實現最大風能捕獲并減小風電機組機械部件所受應力［1］;并且能夠通過變頻器控制系統將發電機有功、無功功率實現解耦控制［2，3］，有效改善風電場功率因數及電壓穩定性，因此，其靜態及暫態電壓穩定性要遠遠好于基于普通異步發電機的恒速風電機組。

當風電場出口發生嚴重短路故障時，轉子電流一般會超出2倍轉子額定電流，變頻器的Crow－bar保護便會動作將轉子繞組短接，轉子側變頻器同時閉鎖，此時雙饋機組將失去控制能力，整個雙饋感應發電機按普通異步發電機運行并從電網側吸收無功，此時電網側變頻器可以控制接入點的無功功率和電壓，槳距角控制器可以降低渦輪機的機械功率以防止轉子加速。當故障清除、電壓頻率重建后，轉子側變頻器重新啟動，風電機回到了正常運行中。

筆者通過風電場的電力系統仿真計算，驗證了模型的有效性，通過仿真風電場不同點發生三相短路后風電場的變化驗證:短路點與DFIG的電氣距離越遠，DFIG的LVRT效果越好。

1 雙饋感應發電機模型

圖1為典型雙饋感應發電機結構。雙饋感應發電機是在普通繞線式異步感應電機的基礎上外加了連接在轉子滑環與定子之間的四象限變頻器及其控制系統而構成的［4，5］。通過雙饋電機的部分功率變頻器與電網之間交換轉差功率，可以通過變頻器實現對整個雙饋電機有功、無功功率的控制。在電網發生故障時，轉子短路器保護(Crow－bar protection)、保護轉子側變頻器(RSC)不被過電流損壞。整個雙饋感應發電機的控制是通過控制轉子側變頻器(RSC)和網側變頻器(GSC)實現的(圖1)。

圖1 雙饋風力發電系統結構圖

2 風輪機模型

風輪機的空氣動力學模型［6］是以CP－λ－β曲線為特征。CP為葉片的風能轉換效率系數，是λ與β的函數。葉尖速比λ由以下公式定義:

式中R為風力機葉輪半徑;ω為風輪角速度，rad/s;νw為風輪轉速，r/min;風能轉換效率系數CP具體取值由風機廠商給出。在給定CP的情況下，風電機組從風中獲取的能量轉化成的風電機組機械功率Pm可由式(2)計算:

式中ρ為空氣密度;Ar=πR2，為葉片掃過的面積。

3 風電場及電網模型

研究表明，一個風電場內各臺風機之間的電氣聯系緊密，在系統大擾動故障情況下，各臺風機的反應十分類似，因此，把風電場看做是一個整體來簡化計算過程對于結論并不會產生很大的誤差。文中采用一臺容量等于整個風電場容量的等值風電機組模型代替整個風電場(圖2)。

圖2 DIgSilent中建立的風電場模型

圖2 中，各雙饋風機連接至風電場母線WT1，經0.69/35kV升壓變壓器Tr2與MV母線相連，再經過35/220kV升壓變壓器Tr1與PCC母線相連，接入實際電網。

該模型包含33臺1.25MW的雙饋風機，電機參數如表1所示(注:r1、r2為轉、定子電阻;L1、L2為轉、定子電感;Lm為勵磁電感)。

表1 電機參數表

表中，p.表示功率標么值;u.表示電壓的標么值。

圖3 算例系統地理位置主接線示意圖

4 算例分析

DFIG的仿真條件如下:

(1)DFIG滑差率為S=－0.2p.u.。

(2)Crowbar投入門檻電流為1.5p.u.。

(3)由于投入Cowbar保護電路所需的時間較短，從檢測故障到投入只需1～2ms，故可以認為短路故障后crowbar立即投入。

(4)Crowbar阻值取0.9p.u.

算例一:

設雙饋風電場出口母線WT1(即690V母線)在0s時發生三相對稱短路故障，故障發生后0.15s時短路故障切除。圖4為故障后風電場變化情況:

由圖4(a)可以看出，故障發生后1ms，立即產生出很大的轉子過電流，隨之短路轉子端部的crowbar被激活、轉子側變換器被封鎖且旁路，從而保護了變換器免遭過電流損害;轉子電流為6.05p.u.。0.06s時，Crowbar退出運行并產生一個較小的沖擊電流和交流強制分量，使得轉子側電流小幅升高后開始振蕩衰減。0.15s時，機端對稱故障切除，機端電壓開始迅速恢復，機端電壓的快速恢復使得定子側產生一個較大的沖擊電流，并產生一個交流強制分量，使得轉子側電流大幅升高后開始振蕩衰減，并逐漸趨于穩定。

由圖4(b)可以看出，故障后，由于機端電壓瞬間跌落至0，當故障切除后，隨著機端電壓的快速升高，風機無功功率開始振蕩，故障切除以后風機從電網吸收的最大瞬時無功為1.35p.u.，隨后能向電網提供的最大瞬時無功為1.95p.u.。

圖4 風電場出口母線WT1故障后風電場變化情況

由圖4(c)可以看出，0s時，機端發生三相短路故障，機端電壓瞬間跌落到0;0.15s時，故障切除，機端電壓瞬間增大，并迅速恢復至穩態，故障切除后的機端電壓分別在0.164s和0.165s時恢復到1p.u.。

算例二:

設雙饋風電場高壓母線HV(即220kV母線)在0s時發生三相對稱短路故障，故障發生后0.15s時短路故障切除。圖5為故障后風電場變化情況:

對比圖4(a)、5(a)可以看出，高壓母線短路時，Crowbar保護裝置投入后的轉子側電流中存在一個較大的交流強制分量，但高壓母線對稱短路時轉子側最大短路電流小于機端對稱短路時的轉子側短路電流。

對比圖4(b)、5(b)可以看出，高壓母線對稱短路時，由于機端電壓跌落沒有機端對稱短路時嚴重，在Crowbar保護退出運行之前，雙饋風機仍可以輸出一定的無功，可以對電網電壓提供一定的無功支撐。當電網故障切除后，在電壓恢復瞬間，雙饋風機從電網吸收的無功達2.1p.u.，大于機端對稱短路時雙饋風機從電網吸收的無功1.35 p.u.。由此表明，高壓母線短路時，即短路點與電網的電氣距離越近時，雙饋風機就需要從電網吸收更多的無功功率。

圖5 風電場高壓母線HV故障后風電場變化情況

對比圖4(c)、5(c)可以看出，高壓母線對稱短路時，機端電壓跌落程度比機端對稱短路時的機端電壓跌落程度低。由此也說明，高壓母線對稱短路時，雙饋風機的低電壓穿越相對而言更容易實現。

5 結語

在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了雙饋感應發電機(Double fed induction generator，DFIG)和仿真電力系統模型，驗證了不同短路點對風電場低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)功能的影響。仿真結果表明:短路點與DFIG的電氣距離越遠，DFIG的LVRT效果越好。

［1］曹軍，王虹富，邱家駒.變速恒頻雙饋風電機組頻率控制策略［J］.電力系統自動化，2009，33(13):3－5;

［2］王偉，孫明冬，朱曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析［J］.電力系統自動化，2007，31(23):84－89;

［3］遲永寧.大型風電場接入電網的穩定性問題研究［D］.中國電力科學研究院博士論文，2006，11;

［4］D.W.Xiang，L.Ran，P.J.Tavner，S.C.Yang.Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride－through［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(3):652－662;

［5］胡家兵，賀益康.雙饋風力發電系統的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統自動化，2008，32(2):49－52.