STATCOM在雙饋風電場低電壓穿越中的應用研究

付鵬武，朱鍇，歐陽惠，劉鼎

(國網湖南省電力公司婁底供電分公司，湖南 婁底417000)

隨著國家新能源發展思路的明確，風電行業的發展受到越來越多的重視。在風電技術的選擇方面，雙饋風機已經成為主流機型，但并網時，由于雙饋風機的定子側直接與電網相連，對電網電壓的擾動十分敏感，電網故障導致定子側出現直流成分，當不對稱電網電壓跌落時還會出現負序分量等問題。此時雙饋發電機的轉速通常較高，相對于定子磁鏈的直流分量與負序分量而言，轉差率均較大，因而導致了轉子回路的過電壓或過電流，由于雙感應發電機(doubly fed induction generator，DFIG)轉子側變頻器和網側變頻器的過壓、過流能力有限，較高的暫態轉子電流和直流側電壓會對脆弱的電力電子器件構成威脅。因此，轉子側變換器最大電流和變頻去直流側母線最大電壓是制約低電壓穿越(LVRT)能力的2 個主要因素。

針對以上低電壓穿越問題，最常用的方法是在轉子側加入Crowbar 電路，即所謂的撬棒保護電路，文獻〔1－2〕針對傳統的被動式Crowbar 的不足，采用主動式Crowbar 電路的控制方法實現雙饋風力發電機的低電壓穿越。文獻〔3－7〕分析Crowbar 阻值與最大短路電流及其出現時間之間的關系和Crowbar 阻值以及投切時間對DFIG 的LVRT效果的影響。文獻〔8－12〕通過裝有Crowbar 電路裝置的實驗平臺，驗證了其低電壓穿越能力。

上述文獻得出了很多有價值的結論，但針對Crowbar 開啟時，轉子側變頻器會被短路，DFIG 失去對定子側無功功率的控制，DFIG 以鼠籠式異步發電機運行〔13〕，需要向電網吸收大量的無功功率，會進一步惡化并網點的電壓，這對電網電壓恢復是非常不利的〔14－18〕。而網側變頻器的容量一般為系統容量的40%～60%〔14〕，若單獨使用網側變流器對系統進行無功功率補償，電壓跌落嚴重時則無法滿足電網的無功需求。

文中以Matlab/Simulink 建立的仿真算例為基礎，探討了加入STATCOM 裝置和Crowbar 電路后，不同電壓跌落下DFIG 系統的動態響應情況，著重分析了電壓跌落85%的情況。

1 低電壓穿越要求

當風力發電容量相對較小時，在電網發生擾動時，風電機組所采取的多是自我保護的措施，即在Crowbar 電路動作后，風電機組脫離電網，直到電網電壓恢復正常時，風電機組再次投入運行。然而，當風力發電容量與常規電廠容量相比不能忽略時，在電網出現故障的情況下，風電場所有機組都同時脫離電網，將會給電力系統的安全運行帶來不利的影響。為了能夠使風力發電得到大規模的應用，而且不會危及電網的穩定運行，當電網發生一定程度的電壓跌落故障時，風電機組必須并網運行，并且要像常規電廠那樣，持續向電網提供有功功率和無功功率。為此，電力部門針對風力發電機組已開始出臺了相關的并網法規，但不同國家甚至同一國家的不同地區也有不同的規定。

其中德國E.ON 標準是最具影響力的風電并網標準之一〔1－3〕，原理如圖1 所示，當電壓跌落至額定電壓的15%，要求風電機組至少持續625 ms 不脫網運行，并適當向電網提供無功功率;當電壓在跌落后3 s 內能夠恢復到額定電壓的90%時，要求機組保持不脫網運行;電壓跌落到90%以上時機組應一直保持并網運行。當風電機組保持不脫網運行時，電壓在20 ms 內每跌落1%的額定電壓時，機組須向電網補償2%額定電流大小的無功功率〔14〕。若電壓恢復正常，即電壓跌落后700 ms 內恢復至額定電壓的70%，或者1.5 s 內能夠恢復至額定電壓的90%，則機組輸出的有功功率須以每1 s增發20%額定功率的速度，恢復到電壓跌落前的正常運行狀態。

圖1 E.ON 公司低電壓穿越能力要求

2 DFIG 的數學模型

雙饋感應發電機的基本結構與繞線式轉子異步電機相似。圖2 給出了DFIG 等效電路。

圖2 Crowbar 激活時DFIG 等效電路

按照電動機慣例，由圖2 可得到DFIG 在d－q同步坐標系下定、轉子電壓方程:

定、轉子磁鏈方程:

忽略定子損耗電阻后，采用定子電壓矢量定向的DFIG 定子側發出的有功和無功功率為:

此時定子電壓d，q 軸分量uds=us和uqs=0，則電磁轉矩方程為:

上述各式中，Rs，Rr分別為定、轉子電阻;uds，uqs，udr，uqr為定、轉子電壓的d，q 軸分量;ids，iqs，idr，iqr為定、轉子電流的d，q 軸分量;ψds，ψqs，ψdr，ψqr為定、轉子磁鏈的d，q 軸分量;ωs，ωr分別為同步角速度，轉子旋轉角速度;Lls，Llr，Lm分別為定子漏感，轉子漏感，互感，且有Ls=Lls+Lm，Lr=Llr+Lm;np為極對數。

3 含STATCOM 的DFIG 低電壓控制策略

電網電壓發生跌落時立即投入轉子側Crowbar電路和STATCOM 裝置，同時封鎖轉子側變頻器觸發脈沖。由于網側變頻器容量有限，文中暫不考慮網側變頻器的無功補償能力，故障期間設置網側變頻器以單位功率因素運行。在電壓恢復時切除Crowbar 電路將會加劇DFIG 的暫態過程，而暫態故障分量的暫態衰減時間一般為60～120 ms〔15〕。故障開始400 ms 后退出Crowbar 電路，并恢復轉子側變流器工作，此時故障暫態分量基本衰減完畢。同時轉子側變頻器和STATCOM 裝置共同對電網實現無功功率補償，故障撤除后，STATCOM 裝置切除，DFIG 開始恢復正常運行，投切控制圖如圖3所示。

STATCOM 的主要作用是通過注入無功電流來支撐接入點電壓，其控制方式采用常規的瞬時無功電壓控制模式，詳見文獻〔19〕，文中不做詳述。

圖3 Crowbar 電路的投切控制圖

4 DFIG 低電壓穿越仿真分析算例分析

為驗證上述所提出的低電壓穿越控制策略的有效性，在Matlab/Simulink 中建立含STATCOM 裝置和Crowbar 電路的風機并網仿真結構圖，如圖4 所示。6 臺1.5 MW 并聯的雙饋風電機組用1 臺雙饋風機等值，風電場總裝機容量為9 MW，通過575 V/10.5 kV 升壓變，30 km 輸電線路連接到系統。跌落時間恢復按照德國E.ON 標準中規定的風力發電機組低電壓運行能力的要求。在并網點高壓側121 kV 母線上設置一個持續0.625 s 的85%電壓跌落。仿真步驟簡要如下:仿真系統從t=0 開始運行，輸入風速15 m/s，t=1 s 時DFIG 并網高壓側發生85%的電壓跌落，t=1.625 s 恢復正常，仿真時間持續2 s。風機系統仿真參數見表1。轉子側Crowbar 電阻取值為0.18 Ω，STATCOM 裝置容量為5 MVA。下面將分別進行無Crowbar 保護電路、僅有Crowbar 保護電路情況以及同時裝有Crowbar保護和STATCOM 裝置3 種情況的動態仿真分析。

圖4 風電場并網仿真結構圖

表1 雙饋風機系統參數

由圖5—8 和表2 可知，在無Crowbar 電路保護措施的情況下，雖然風電場能夠向電網提供一定的有功功率和無功功率，但DFIG 其它分量在故障期間，定、轉子電流和直流側母線電壓都出現了很大的尖峰，定、轉子電流變成了額定值的3.4 倍，直流側母線電壓凸起高達1.26 倍，故障消除后，因得不到及時的無功補償，電網電壓恢復緩慢，直到1.8 s 時刻才恢復到額定電壓，如圖8 所示。對于1.5 MW 的雙饋風機，其直流側耐壓能力一般不許超過額定電壓0.1～0.15 pu。從變流器的過流、耐壓角度考慮，這在實際情況中是不允許的，因此必須采取措施使DFIG 安全渡過電壓跌落。

圖5 3 種情況下85%的三相電壓跌落風電場輸出的有功功率值

圖6 3 種情況下并網點85%的三相電壓跌落風電場輸出的無功功率值

圖7 3 種情況下并網點85%的三相電壓跌落DFIG 直流側母線電壓值

針對低電壓故障中過電流、過電壓問題，在轉子側投入Crowbar 電路，同時閉鎖轉子側變頻器，網側變頻器以單位功率因素運行。由圖5—8 和表3 可知，投入Crowbar 電路后，定、轉子側電流降為2.3 pu，變頻器直流側母線電壓控制在1.1 pu 以內。1.4 s 時刻Crowbar 切除，轉子側變頻器控制定子側向電網發送了1.5 Mvar 的無功，定子側和網側變頻器共輸出有功功率約1.8 MW。由于采用了故障前切除Crowbar 電路的策略，故障消除后，并網點電壓平滑地恢復到了故障前的額定值，如圖9所示。雖然Crowbar 電路對DFIG 故障分量抑制效果很好，但在故障運行期間，DFIG 向系統輸出的有功功率很小，接近于0，同時還需從系統吸收一定無功功率，這與發電機和Crowbar 電路參數相關。

圖8 無保護措施下并網點85%的三相電壓跌落

圖9 加入Crowbar 電路后并網點85%的三相電壓跌落

上述仿真結果表明，這些情況不滿足德國的E． ON 標準對低電壓穿越的要求，為了彌補這一缺陷，在并網點高壓側同時加裝STATCOM 和Crowbar 電路。由圖6 可知，STATCOM 在故障后發送了約2.3 Mvar 的無功，Crowbar 切除后，在STATCOM 和轉子側變頻器的共同作用下發送了7 Mvar 無功功率，從圖10 可以看出，這有效地加快了系統并網點電壓的恢復速度。當系統對無功有更大需求時，STATCOM 可以和網側變頻器共同對電網進行無功功率補償，增強DFIG 的低電壓穿越能力。由圖5 可以看出，在加入STATCOM 后，在電壓跌落時風電場還能向系統提供一定的有功功率，維持電網的運行。而與只加入Crowbar 電路的情況相比，除風電場有功功率和無功功率輸出波形有明顯差異以外，DFIG 各分量的情況基本相同，這說明這2 種情況下加入STATCOM 只對風電場輸出的有功功率和無功功率產生影響，而不會對DFIG 各分量造成沖擊，這正是電網穩定運行所要求的。

圖10 加入Crowbar 和STATCOM 電路后并網點85%的三相電壓跌落

為檢驗加入STATCOM 后，不同電壓跌落情況下DFIG 的低壓穿越能力，進行6 組不同電壓跌落情況下的仿真比較，統計結果見表2—4。從表中可以看出，電壓跌落嚴重(如55%～85%)時，跌落瞬間DFIG 定、轉子電流明顯大于電網電壓恢復時的電流，說明電壓跌落時對DFIG 系統造成的沖擊要大于電壓恢復時的沖擊，因此Crowbar 保護設備要在故障消失前切除，以免加劇系統恢復時的暫態振蕩;電壓跌落較小(如10%～40%)時，故障開始時DFIG 的定、轉子電流則要小于電網電壓恢復時的電流。無保護措施下DFIG 定、轉子電流本身不是很大，僅靠風機自身的控制調節就可完成低電壓穿越，外加Crowbar 和STATCOM 電路的抑制效果并不明顯，并且在電壓跌落為10%時反而加劇系統的振蕩。

表2 不同電壓跌落下無任何保護措施的定、轉子側電流峰值 pu

表3 不同電壓跌落下加入Crowbar 的定、轉子側電流峰值 pu

表4 不同電壓跌落下加入Crowbar 和STATCOM的定、轉子側電流峰值 pu

5 結論

文中通過Matlab/Simulink 仿真，探討不同程度的電壓跌落下無低電壓穿越保護措施、只含Crowbar 保護、同時裝有STATCOM 和Crowbar 這3種情況下DFIG 的暫態響應，著重分析了電壓跌落85%的情況。結果表明，STATCOM 裝置可以補償Crowbar 動作后DFIG 作為異步電機運行時對電網的無功需求，彌補了Crowbar 電路動作時無法滿足系統無功功率需求這一缺陷。與只投入Crowbar 相比，同時加入STATCOM 和Crowbar 后，風電場將在低壓穿越過程中對電網輸出一定的有功功率和大量的無功功率，且不會對DFIG 各分量產生沖擊;大電壓跌落時對DFIG 系統造成的沖擊要大于電壓恢復時的沖擊，而小電壓跌落時，情況則剛好相反，因此Crowbar 要在故障消失前切除，以免加劇系統暫態振蕩;在小幅電壓跌落下，不宜投入Crowbar 保護。

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