幾種風力發電機組低電壓穿越技術分析

華澤嘉，高 聚，陶維珣，路 凱

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012;2.國電龍源電力技術工程有限責任公司，北京 100039)

近幾年來，在國家新能源政策的扶持下，作為技術最為成熟、最具大規模開發價值的風力發電迅速發展，裝機容量逐年上升。截至2010年底，全國風電裝機容量已達到4000萬千瓦，年均增長率超過100%。然而去年酒泉風電基地風機大規模脫網導致電網波動異常這一事故給風電的進一步發展帶來了諸多問題和思考，為此在國調中心組織的“防止風電大規模脫網重點措施”的討論會上，對風電機組和風電場提出了諸多要求。其中最主要的就是強調風電機組的低電壓穿越能力。一般情況下，若電網發生故障，其導致的電壓跌落會給風電機組帶來一系列危害機組本身及其控制系統正常運行的暫態過程:如過電壓、過電流、風機轉速上升等，此時風電機組就會實施被動式的自我保護而立即自行解列，這在風電的電網穿透率較低時是可以被電網所接受的。但是當風電的電網穿透率較高時，如果電網發生故障，風電機組自行解列，不但會增加電網恢復難度，甚至會加劇電網故障，從而導致系統其他機組解列。為此電網要求風力發電機組應具有在電力系統有較大波動時保持不脫網運行，并向電網提供無功功率支持電網恢復的能力，這就是風電機組的低電壓穿越特性(LVRT-low voltage ride through)。目前我國各風電機組生產廠家的風機LVRT特性普遍是按照德國E-on標準設計的，即[1]:風場必須具有在并網電壓跌落20%額定電壓時能夠堅持并網運行625 ms;風電場發生電壓跌落3 s后能夠恢復到90%額定電壓時，必須保持并網運。見圖1所示。

圖1 風電場LVRT標準

雙饋異步風機和直驅永磁風機是目前各風電場安裝的兩種主流機型，二者都通過采用不同的措施來實現LVRT功能。本文將詳細分析北方某風電場安裝的上述兩種機型的低電壓穿越能力，利用PSASP仿真分析軟件建立二者的低電壓穿越模型，并根據仿真結果給出兩種機型實際工作中的低電壓穿越能力的最低電壓限制。

1 雙饋異步風機(DFIG)LVRT工作原理及并網模型

本風場所安裝的DFIG依靠以下三個部件來實現LVRT功能:變流器、變槳系統、主控系統。作用原理如下:

DFIG在電網發生故障時，往往是因為轉子側的變流器為防止暫態過電流(通常為額定電流的2～3倍)對其的損害而退出運行[2]，從而無法控制勵磁電流導致失去對電磁轉矩的控制，使風機轉速在短時間內急劇增加，當達到一定限值時風機就會實施自我保護退出運行。本風場安裝的DFIG的變流器具有撬棒支路(有源Crow-bar模塊)，用來當轉子側電流超過限定值時，旁路轉子側變流器，阻尼轉子磁鏈。當轉子磁鏈衰減后撬棒支路便可退出，變流器工作，控制能力恢復。但在撬棒支路啟動時，會使風場在短時間內失去控制。在撬棒支路工作的同時，變槳系統啟用，降低風機捕風能力，重新建立機端電壓。主控系統采用在線不間斷電源，能在短時間內為PLC及相應控制回路供電。并網模型如圖2所示。

圖2 DFIG并網模型

(2)雙饋感應風電系統的建模

坐標系采用兩相同步旋轉坐標系，d軸超前q軸，派克變換采用恒功率變換:

雙饋感應電機轉子運動方程:

2 直驅永磁風機(PMSG)LVRT工作原理及并網模型

相比DFIG而言，雖然PMSG與電網之間通過背靠背全功率變流器實現完全隔離，但是當電網電壓跌落時，網側變流器會出現過電流，當對變流器采取限流措施后，由于直流側輸入功率大于輸出功率，且變流器熱容量有限，會使直流側電壓升高，損壞變流器[3-5]。為此，本風場安裝的PMSG在變流器結構中配備了基于PWM技術的制動單元，吸收直流側輸入大于輸出的那部分功率，并以熱能的形式散發出去。從而避免了變流器由于直流過電壓造成的損壞，增強了系統的LVRT能力。在輸出側還配置了LC濾波裝置，減少了輸出諧波，提高了系統容量。并網模型如圖3所示。

圖3 PMSG并網模型

(1)直驅永磁風電系統的建模

PMSG數學模型采用dq兩相同步旋轉坐標系，q軸定向與發電機感應電動勢空間矢量，并假定發電機dq軸電感相等。

發電機的電磁轉矩Te為:

發電機的電磁轉矩Te和機械轉矩Tm一起決定了發電機的轉速ωg:

3 對比仿真

在風電場外部系統故障中以三相短路故障時的電壓跌落最為嚴重，所以本文對風電場滿發時的系統外部三相短路故障時的機端電壓降低值進行仿真。以北方某風電場中安裝的雙饋異步風力發電機(DFIG)和直驅永磁風力發電機(PMSG)兩種機型為實例，利用電力系統仿真分析軟件PSASP對兩種機型的低電壓穿越能力進行仿真。

圖4 為風電場所在區域的局部電網結構示意圖。

3.1 DFIG仿真結果與說明

當雙遼母線發生三相短路故障時，風電機組機端電壓下降到接近于零，這個故障是最嚴重的故障，即風電場出口發生三相短路故障，一般極少發生。當西郊母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.2 pu，當三家子母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.4 pu，當長春母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.55 pu，離風電場最遠的母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.85 pu。由此可見該雙饋異步風機LVRT的最低電壓限值應為0.2 pu。該風電機組的LVRT特性見圖5。

圖5 DFIG低電壓穿越特性圖

4.2 PSMG仿真結果與說明

當雙遼母線發生三相短路故障時，風電機組機端電壓依然下降到接近于零，當西郊母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.4 pu，當三家子母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.6 pu，當長春母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.7 pu，離風電場最遠的母線發生三相短路故障時，風電機組的機端電壓下降到0.85 pu。由此可見該直驅永磁同步風機LVRT最低電壓限值應為0.4 pu，高于本風場安裝的雙饋異步風機最低電壓限制0.2 pu，同時，直驅永磁風電機組的低電壓穿越能力高于雙饋異步風電機組。該風電機組LVRT特性見圖6。

圖6 PMSG低電壓穿越特性圖

4 結 論

從仿真數據可以看出，添加制動單元的PMSG的LVRT特性與采用撬棒支路的DFIG的LVRT特性相比，在最低電壓限值方面，PMSG的0.4 pu高于DFIG的0.2 pu，在持續穩定性方面，PMSG在電網電壓跌落至15%時能堅持并網225 ms，風電場發生電壓跌落3 s后，能夠保持并網并恢復到85%額定電壓。DFIG在電網電壓跌落至15%時能堅持并網180 ms，風電場發生電壓跌落3 s后，能夠保持并網并恢復到75%額定電壓。由此可見，本風電場安裝的直驅永磁風力發電機組的低電壓穿越特性優于雙饋異步風力發電機組的低電壓穿越特性。

[1]魏林君，遲永寧，趙建國，等.雙饋變速風電機組低電壓穿越控制[J].電網與清潔能源，2009，25(2):41－45.

[2]肖盛，張建華，郭世繁，等.并網雙饋風電機組低電壓穿越能力研究[J].電網與清潔能源，2010，25(2):70－71.

[3]李建林.全功率變流器永磁直驅風電系統低電壓穿越特性研究[J].電力系統自動化，2008，32(19):29－33.

[4]李峰，陸一川.大規模風力發電對電力系統的影響[J].中國電力，2006，39(11):80－84.

[5]CLEMENS J，ANCA D H，POUL S.Simulation Model of an Active-Stall Fixed-Speed Wind Turbine Controller[J].Wind Engineering，2004，28(2):177－195.