靜止無功發生器在風電場電網故障時作用的研究

王興貴，宋磊，鄭偉，拜潤卿

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州 730050）

靜止無功發生器在風電場電網故障時作用的研究

王興貴1，宋磊1，鄭偉2，拜潤卿2

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州 730050）

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風能作為目前最具大規模開發利用前景的新能源，日益受到世界各國的重視。隨著風電裝機容量在整個電網中所占比重的不斷增大，大規模風電并網對電力系統的影響也越來越突出[1-4]。酒泉風電基地作為我國第一個開工建設的千萬千瓦級風電基地，截至2011年年底，并網風電達5881M W，此外還有二期3000M W風電項目待開工建設，大規模風電并網對電網的影響日益凸顯[5]。

為了研究在電網故障狀態下采用DFIG風電場的暫態電壓穩定性，本文首先對DFIG在電網電壓跌落時的暫態過程進行了分析，并通過人工接地短路試驗測試了在電網電壓跌落時風電場升壓站內110kV母線電壓和風機出口電壓、電流的故障波形。針對DFIG在實現低電壓穿越過程中存在的問題，研究了SVG在風電場故障時的作用[6]，對SVG在風電場并網點電壓跌落時為風電場提供無功支撐能力進行了仿真，并通過現場試驗對仿真的結論進行了驗證。

1 DFIG在電網電壓跌落時的暫態過程分析

對于具備低電壓穿越能力的DFIG，在電網電壓跌落的情況下，采用定子磁鏈定向控制，將定子磁鏈定向在軸上，且忽略定子繞組壓降和定子電阻。雙饋異步電機的定子磁鏈在電壓跌落發生前穩態情況下的矢量表達式如公式（1）所示，在電壓跌落的動態過程中的表達式如公式（2）所示[7]：式中，準s1為電壓跌落發生前的穩態定子磁鏈；準s2為包含動態過程的定子磁鏈；Us1、Us2分別為電壓跌落發生前和發生后的穩態定子電壓模值；t0為電壓跌落發生時刻。

在定子參考坐標系下，考慮定子三相短路的極端情況，轉子電流的變化主要由定子短路造成，轉子電流可由公式（3）表示如下

2 電網短路故障狀態下DFIG暫態過程的試驗驗證

2010年新疆電網與西北電網通過雙回750kV線路聯網成功，在聯網過程中進行一系列的調試與測試試驗。由于試驗地點臨近風電基地，而風電機組對電網電壓擾動又非常敏感，容易因主網電壓瞬時跌落造成大規模風電機組切機，帶來系統頻率穩定、電壓恢復等一系列的問題。因此，特選擇試驗地點附近的3個風電場，對其在主網發生擾動情況下的運行特性及低電壓穿越能力進行測試。通過監測風電場與主網連接點及單臺風機出口處的電壓、電流等特征量的變化，量化分析主網擾動對風電場運行狀況的影響。本文主要分析了在進行750kV線路雙回運行單相接地短路試驗時某風電場升壓站內110kV母線電壓故障的波形，并測試了一臺DFIG在故障狀況下風機出口電壓和電流的波形。

從現場所測的故障波形可以看出：當750kV線路雙回運行發生單相接地短路故障時，與風電場相連的升壓站內110kV母線相電壓有效值由故障前的95kV跌至故障時的55kV，DFIG出口線電壓由正常時的690V跌至故障時的325.6V，故障時A相電流有較大幅度上升。

圖1 110kV母線相電壓波形Fig.1 The waveform of 110kV bus phase voltage

圖2 風機出口線電壓、相電流波形Fig.2 Line voltage,phase current waveforms of a wind turbine feeder

3 應用SVG提高DFIG在電網電壓跌落時低電壓穿越的能力

3.1 SVG在電網故障狀態下對風電場作用的仿真研究

為了驗證SVG在電網故障時對風電場的作用，在MATLAB/Simulink中搭建了系統的仿真模型，并仿真了SVG投入前后風電場并網點35kV母線A相電壓和風機出口相電壓的變化情況。

仿真系統的數據如下：風機采用雙饋異步風力發電機，出口電壓為690V，每臺風力發電機組出力首先經過箱式變壓器升壓至35kV后送往風電場升壓站，經升壓站主變將電壓升高到330kV后送往系統。SVG經降壓變壓器并聯于升壓站內低壓側，故障點設在330kV母線側，為三相接地短路。

圖4、圖6是風電場升壓站內高壓側330kV母線發生三相接地短路故障之后，SVG未投入時升壓站內風電場并網點35kV母線側A相電壓和風機出口A相電壓波形。從仿真波形可以看出：當電網發生三相接地短路故障后，會引起風電場并網點35kV母線電壓有較大幅度下跌，35kV母線A相電壓的峰值跌落至5000V左右，且在故障恢復過程中會出現較大的過電壓。風機出口的A相電壓的峰值跌落至100V左右，低于風機低電壓穿越曲線規定的20%。根據《大型風電場并網設計技術規范》[8]，此時風機可以切除。圖5、7為SVG投入后升壓站內35kV母線側A相電壓和風機出口A相電壓波形，從仿真的結果可以看出：SVG投入之后，可以使35kV母線A相電壓提高到14000V左右，且對在故障恢復過程中出現的過電壓也起到了一定的抑制作用。風機出口A相電壓提高到了240V左右，高于正常值的20%，使風機具備了低電壓穿越的能力，從而避免了風機的大規模脫網[9-11]。

圖4 SVG未投入時升壓站內35kV母線A相電壓波形Fig.4 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station before SVG is connected

圖5 SVG投入后升壓站內35kV母線A相電壓波形Fig.5 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station after SVG is connected

圖6 SVG未投入時風機出口A相電壓波形Fig.6 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

圖7 SVG投入后風機出口A相電壓波形Fig.7 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

3.2 SVG在電網故障狀態下對風電場作用的試驗研究

為了測試SVG在電網電壓跌落時對風電場的作用，在酒泉千萬千瓦風電基地某大型風電場進行了現場試驗[12]。

試驗條件為：斷開SVG端子排上330kV母線P T空氣開關，模擬了電網電壓跌落，測錄了故障后330kV母線電壓的波形、SVG連接變低壓側電壓的波形和幅值、SVG的無功電流和無功輸出的波形。

由圖8可知，在10.32s時斷開SVG端子排上330kV母線P T空氣開關，330kV母線電壓跌至2.24kV。SVG檢測到系統電壓跌落后，經過大約20m s延時，達到最大無功輸出。SVG連接變壓器10kV母線側電壓幅值由投入前的9.24kV提高到投入后的10.12kV,SVG通過調整輸出電流的幅值和相位來控制330kV母線側電壓，從而為風電場提供電壓支撐。

圖8 斷開330kV母線PT空氣開關,系統電壓和SVG無功輸出的波形Fig.8 System voltage and SVG reactive power output waveforms with the 330kV bus PT disconnected

4 結論

研究了電壓跌落時DFIG的暫態過程，并在進行人工接地短路試驗時測錄了某風電場升壓站內110kV母線電壓和風機出口電壓、電流的故障波形。分析了SVG在風電場電網故障時的作用，并通過仿真和試驗驗證了SVG在電網故障時可以為風電場提供一定的電壓支撐，從而減小電網故障對風機的影響，防止大量風機脫網，進而提高了風電場電網運行的穩定性。

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[12]GB/T 20297—2006靜止無功補償裝置(SVC)現場試驗[S].

Effects of STATCOM on Wind Farm Grid in Fault Conditions

WANG Xing-gui1，SONG Lei1，ZHENG Wei2，BAI Run-qing2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，Gansu，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The paper,analyzes the transient course of the doubly-fed induction generator（DFIG）under fault conditions is analyzed,and tests the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feed-out of the wind turbine through the artificial shortcircuit test,the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feedout of the wind turbine within the are tested.Targeting at the problem of the wind farm under fault conditions,the effects of static var generator（SVG）in improving the low voltage ride through ability are simulated,and the simulation results are verified with the site experiment.

doubly-fed induction generator（DFIG）；transient process；lowvoltageridethrough（LVRT）；staticvargenerator（SVG）摘要：分析了雙饋異步發電機（DFIG）在電網電壓跌落時的暫態過程，通過人工接地短路試驗測試了風電場升壓站內110kV母線電壓和風機出口處電壓、電流的故障波形。針對風電場在故障時存在的問題，對靜止無功發生器（SVG）在提高DFIG低電壓穿越能力中的作用進行了仿真，并通過現場試驗對仿真的結論進行了驗證。

雙饋異步發電機；暫態過程；低電壓穿越；靜止無功發生器

甘肅省自然科學基金項目資助（1014RJZA031）。

1674-3814（2012）08-0064-04

TM 614

A

2008-03-29。

王興貴（1963—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子和新能源發電技術的研究；

宋 磊（1985—），男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電。

（編輯 徐花榮）