具有低電壓穿越能力的雙饋風電場故障特性分析

閻 智，林雪峰

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著環境污染和能源危機的加劇，風電并網容量占系統容量的比例也越來越大，風電接入對電力系統繼電保護的影響也越來越不容忽略。雙饋式風力發電機由其優越性成為主流機型廣泛應用于風電場。雙饋風電機組的特殊結構和控制策略，導致其故障特性與常規發電機的故障特性存在明顯差異。而其低電壓穿越特性及具備LVRT的雙饋風電機組故障特性更值得研究。

本文針對傳統Crowbar電路的弊端提出一種有別于傳統Crowbar電路保護的雙饋風電機組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風電場模型，仿真驗證了雙饋風電場具備低電壓穿越能力及控制策略的優越性。并仿真研究了雙饋風電場不同故障類型下的故障特性，研究結果表明傳統轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯絡線發生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現出弱電源特性，單相接地故障表現出的弱電源特性更為明顯，這對故障選相元件將會受到嚴重影響。

1 雙饋風電機組控制策略

1.1 轉子側變換器的矢量控制

轉子側采用定子磁鏈定向矢量控制，d軸沿定子磁場方向,定子磁通的q軸分量為零,則usd=0，usq=Us。忽略定子側電阻,定子有功功率Ps和無功功率Ps為：

由式轉子側的電流分量iqr、idr可以分別控制定子側的有功功率Ps和無功功率Ps，從而實現了發電機定子有功與無功的解耦控制，使定子側輸出恒定的電壓和穩定的頻率。雙饋發電機轉子變流器矢量控制結構圖見圖1。

1.2 網側變換器的矢量控制

網側采用定子電壓定向矢量控制，d軸沿定子電壓方向，q軸在旋轉方向上超前d軸90°，則ud=us，uq=0，進而可以得到電網側變換器與電網交換的有功與無功表達式如下：

圖1 雙饋發電機轉子變流器矢量控制結構圖

式中：igd、igq為網側變換器電流在d、q軸上的分量。

由上式(1)－(4)可知，通過調節igd、igq可控制網側輸出的有功、無 功功率。網側逆變器滿足網側電壓定向矢量控制的原理見圖2。

圖2 雙饋電機網側變流器控制原理框圖

1.3 轉子 Crowbar 電路

目前雙饋風電機組較多的采用Crowbar 電路實現LVRT，見圖3。在故障期間Crowbar電路觸發將轉子變流器短接，保護變流器，從而實現機組的不間斷運行。

圖3 轉子Crowbar電路

2 雙饋風電機組及低電壓穿越策略

利用DC－Chopper代替Crowbar，在故障時可以較好的起到保護直流側電容和轉子側變流器的作用。在故障情況下通過對轉子側變流器進行解耦控制，控制定子側給電網提供一定無功支持，實現故障穿越。其系統結構框圖見圖4。

圖4 DFIG實現故障穿越系統結構框圖

2.1 直流卸荷電阻模塊

卸荷電路由IGBT和卸荷電阻串聯構成。工作原理為：當Udc大于Udc-max時，卸荷電阻快速投入；當Udc小于Udc-max時，直流卸荷電阻快速切出。在PSCAD/EMTDC中構建模型，其中卸荷電阻和直流電壓的參數為：R=0.6Ω，Udc-max=1.1p.u。其中電阻的參數由Udc-max和ΔP決定(R=U2dc-max/ΔP，式中ΔP為功率流動偏差，Udc-max為母線最大電壓。

2.2 轉子側變流器無功控制策略

本文采用DC－Chopper代替Crowbar，因此變流器在故障期間沒有切除。故障過程中，網側變流器運行在變功率因數狀態，向電網提供部分容性無功支撐；故障切除后，轉子變流器恢復單位功率因數控制，風電機組迅速恢復至穩態，實現低電壓穿越。控制策略見圖5。

圖5 轉子側變流器無功控制控制策略

風電正常并網時，無功電流的給定值為i1q=0，只給電網發出有功功率;當電網發生故障時，網側逆變器立即切換為靜止無功補償模式，向電網發出一定的無功，從而穩定電網電壓，有助于風電機組的低電壓穿越。

3 具有LVRT的雙饋風電場故障特性

3.1 具有LVRT的雙饋風電場建模

在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建雙饋風電機組及雙饋風電場仿真模型，風電場由5臺雙饋風電機組構成，單臺雙饋風電機組參數見表1。系統容量為200 MVA，系統正序阻抗為1.31pu仿真風速為12 m/s。搭建模型見圖6。低電壓穿越仿真結果見圖7。

表1 雙饋風電機組參數

仿真結果表明，傳統的Crowbar控制策略無法在電壓跌落跌落程度較嚴重的情況下無法實現低電壓穿越，而本文采取的控制策略可以實現低電壓穿越。

3.2 具有LVRT的雙饋風電場故障特性

在t =0.8 s時風電場聯絡線上距離風電場側40 km處發生單相接地、兩相接地、兩相和三相接地故障，故障發生時間為2 s，故障持續時間0.1 s。故障電流仿真結果分別見圖8～圖11。故障電流頻譜仿真分別見圖12～圖16。

根據仿真結果對比可知，傳統轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因(見圖16)，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯絡線發生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現出弱電源特性，單相接地故障表現出的弱電源特性更為明顯。這對故障選相元件將會受到嚴重影響。

圖6 雙饋風電場建模

圖7 雙饋風電場低電壓穿越仿真曲線

圖8 單相接地故障仿真曲線

圖9 兩相接地故障仿真曲線

圖10 兩相短路故障仿真曲線

圖11 三相短路故障仿真曲線

圖12 單相接地故障仿真電流幅頻圖

圖13 兩相接地故障仿真電流幅頻圖

圖14 兩相短路故障仿真電流幅頻圖

圖15 三相短路故障仿真電流幅頻圖

圖16 基于傳統Crowbar保護的三相短路電流幅頻圖

4 結論

本文針對傳統Crowbar電路的弊端提出雙饋風電機組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風電場模型，仿真驗證了雙饋風電場具備低電壓穿越能力及控制策略的優越性。并仿真研究了雙饋風電場不同故障類型下的故障特性，研究結果表明傳統轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯絡線發生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現出弱電源特性，單相接地故障表現出的弱電源特性更為明顯。這對故障選相元件將會受到嚴重影響。研究成果具有一定的實際價值和意義。

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