具有低電壓穿越能力的雙饋風電機組故障特性及影響因素分析研究

樊小朝，王維慶

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊市830047；2.新疆大學電氣工程學院教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047)

具有低電壓穿越能力的雙饋風電機組故障特性及影響因素分析研究

樊小朝1，2，王維慶1，2

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊市830047；2.新疆大學電氣工程學院教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047)

在PSCAD平臺下構建了具有低電壓穿越能力的雙饋風電機組模型，仿真分析了不同低電壓穿越模式下的機組穿越特性和故障特性，并仿真驗證了上述影響因素對機組故障電流的影響。指出傳統轉子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。在風電場保護配置和整定時需考慮上述因素的影響。

雙饋風電機組；低電壓穿越；故障特性；影響因素；風力發電

0 引 言

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，將為保護整定配置提供一定參考。

目前實現低電壓穿越技術方法主要概況為控制策略和增加硬件設備兩個方面。轉子側LVRT技術方法是當今的主流技術。相關文獻對機組低電壓穿越及故障特性進行了研究。文獻[1- 8]對基于轉子Crowbar電路實現雙饋風電機組LVRT方面研究較多，主要在Crowbar阻值大小，投切方法及投切時間方面進行了深入研究；文獻[9]指出雙饋風電機組投入轉子Crowbar電路，故障電流頻率受當前轉子轉速影響而變為非工頻，對基于工頻傅氏算法的保護性能產生較大影響。文獻[10- 12]提出采用非轉子LVRT技術實現機組低電壓穿越能力，表現出一定優勢。然而對于具備低電壓穿越能力的雙饋機組故障特性及影響因素未做系統分析和研究。

在PSCAD平臺上搭建了含雙饋風電機組的風電場模型，仿真驗證了雙饋風電機組具備低電壓穿越能力。對具備低電壓穿越能力的雙饋機組故障特性及影響因素做了系統的分析和研究。從風電場運行運行方式、故障類型、無功補償、風電機組無功控制策略、風電機組低電壓穿越策等方面進行了詳細分析和仿真驗證。

1 建立模型

1.1 雙饋風電機組低電壓穿越策略

1.1.1 低電壓穿越策略1(Crowbar 電路)

目前雙饋風電機組較多的采用Crowbar 電路實現LVRT。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。

1.1.2 低電壓穿越策略2(非Crowbar 電路)

傳統的雙饋風電機組采用Crowbar 電路實現LVRT，但存在一些缺點：發生故障后，Crowbar 電路動作，DFIG的運行特性近似于傳統的恒速異步發電機，從電網消耗無功，不利于故障切除后電網電壓的恢復。因此本文提出一種“DC-Chopper+定子制動電阻SDBR+網側無功控制”的新策略代替傳統Crowbar電路，實現機組的低電壓穿越。如圖1所示。

圖1 基于新策略的LVRT拓撲結構

1.2 雙饋風電機組建模

在PSCAD軟件中搭建單機1.5 MW的并網雙饋風電機組模型進行仿真驗證。雙饋風機參數為：空氣密度ρ=1.229 km/m3，葉片半徑R=29 m，掃風面積A=2 827 m2，額定風速11 m/s，定子電阻Rs=0.005 87(p.u.)、轉子電阻Rr=0.002 09(p.u.)，定子電抗Xs=0.097 6(p.u.)，轉子電抗Xr=0.163(p.u.)，互感電抗Xm=5.139 5(p.u.)，制動電阻SDBR取值為0.3 Ω，DC-Chopper電路觸發值為直流母線電壓的1.1倍。

2 雙饋風電機組低電壓穿越特性

基于上述控制策略及低電壓穿越策略，在PSCAD/EMTDC中構建模型，在t=2.0 s時機組升壓變高壓側電壓跌落至0.2p.u，在2.625 s時電壓跌落結束，持續時間為0.625 s。仿真波形如圖2所示。

圖2 雙饋風電機組LVRT特性

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 具有LVRT的雙饋機故障特性

3.1 風電運行方式

在風電場實際運行中，因運行風速、風機控制策略及檢修維護投切機組比例的變化導致風電運行方式的多變。基于搭建的模型，2s時風電場聯絡線發生三相短路故障，故障時間持續0.1 s，仿真分析三種運行方式下風電場主變電壓側三相短路故障特性。

方式1，2臺機組在風速12 m/s下出力3 MW；方式2，4臺機組在風速9 m/s下出力3 MW；方式3，4臺機組在風速12 m/s下出力6 MW。仿真結果：相同投運機組數目不同出力下，出力大小對故障電流的大小無明顯影響；相同出力不同投運機組下，投運機組數目決定故障電流的大小，投運機組數目越多，故障電流就越大。相應保護整定時需考慮風電場的機組投切機比例。

3.2 無功補償

在相同風速下(12 m/s)，投入8臺雙饋風電機組并網運行，2 s時風電場聯絡線發生三相短路故障，故障持續時間0.1 s，仿真分析不同無功補償容量下單臺雙饋風電機組故障特性。

圖3 不同無功補償容量下短路電流

由圖3可知，風電場投切無功補償對風電機組故障電流特性有一定影響，風電機組向故障點提供的故障電流隨無功補償容量的增大而增大。

3.3 故障類型

3.3.1 故障仿真

故障類型有：單相接地短路、兩相接地短路、兩相及三相相短路，其中三相短路仿真如圖4所示。

圖4 聯絡線三相短路

3.3.2 故障分析

根據上述仿真結構可知，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5)，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明顯。

圖5 基于Crowbar的短路電流幅頻

3.4 機組無功控制策略

在相同風速下(12 m/s)，投入4臺雙饋風電機組并網運行，2 s時風電場聯絡線發生三相短路故障，故障持續時間0.1 s，仿真分析故障期間風電機組無功控制策略不同下的雙饋風電機組故障特性(見圖6)。

圖6 聯絡線兩相短路

由仿真可知，故障期間風電機組的無功控制策略對機組短路電流大小有一定影響，故障期間機組短路電流在發無功策略下較不發無功策略下的短路電流小。

3.5 機組低電壓穿越策略

基于上述相同條件，仿真分析不同低電壓穿越策略下的雙饋風電機組故障特性。LVRT策略1為傳統基于crowbar電路的低電壓穿越策略，LVRT策略2為本文提出的(非crowbar)低電壓穿越策略，仿真波形如圖7所示。

圖7 不同策略下的仿真波形

由仿真可知，風電機組機的低電壓穿越策略不同組短路電流也不同。在保護整定時需要考慮不同低電壓穿越策略對故障電流的影響。

4 結 論

本文提出雙饋風電機組低電壓穿越策略，搭建了具有低電壓穿越能力的雙饋風電機組，仿真驗證了雙饋風電機組模型的正確性及具備低電壓穿越能力。在此基礎上，仿真了風電機組在不同運行條件下的故障特征，結果表明風電場運行運行方式、故障類型、無功補償、風電機組無功控制策略、風電機組低電壓穿越策均會影響雙饋風電機組的故障電流特性。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。研究成果具有一定的實際價值和意義。

[1]張梅， 牛拴保， 李慶， 等. 酒泉風電基地短路試驗分析及仿真[J]. 電網技術， 2014， 38(4)： 903- 909．

[2]栗然， 王倩， 盧云， 等. Crowbar 阻值對雙饋感應發電機低電壓穿越特性的影響[J]. 電力自動化設備， 2014， 34(4)： 101- 107．

[3]王婷， 李鳳婷， 何世恩. 影響風電場聯絡線距離保護的因素及解決措施[J]. 電網技術， 2014， 38(5)： 1420- 1424．

[4]陳寧， 房婷婷， 湯奕， 等. 考慮運行風險的風電基地無功配置方法[J]. 電網技術， 2013， 37(11)： 3022- 3029．

[5]Le GOURIERES D. Wind power plants： theory and design[M]. Netherlands： Elsevier， 2014： 123．

[6]徐殿國， 王偉， 陳寧. 基于撬棒保護的雙饋電機風電場低電壓穿越動態特性分析[J]. 中國電機工程學報， 2010， 30(22)： 29- 36

[7]蔚蘭， 陳宇晨， 陳國呈， 等. 雙饋感應風力發電機低電壓穿越控制策略的理論分析與實驗研究[J]. 電工技術學報， 2011， 26(7)： 30- 36．

[8]王定國， 張紅超. 雙饋型風力發電機低電壓穿越的分析研究[J]. 電力系統保護與控制， 2011， 39(17)： 70- 73．

[9]盧鍇， 張堯， 倪偉東， 等. 電網電壓跌落時雙饋風力發電系統的改進控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制， 2012， 40(11)： 106- 111．

[10]張保會， 李光輝， 王進， 等. 風電接入電力系統故障電流的影響因素分析及對繼電保護的影響[J]. 電力自動化設備， 2012， 32(2)： 1- 8．

[11]GUO H， HUANG D Z， GU L G， et al. Model of DFIG Wind Farm and Study on Its LVRT Capability[J]. Journal Of Electronic Science And Technology， 2013， 11(1)．

[12]HOSSAIN J， POTA H R. LVRT Capability of DFIGs in Interconnected Power Systems[M]//Robust Control for Grid Voltage Stability： High Penetration of Renewable Energy. Springer Singapore， 2014： 219- 247．

(責任編輯 高 瑜)

Study on Failure Characteristics and Influencing Factors of Doubly-fed Wind Turbine with Low Voltage Ride-through Capability

FAN Xiaochao1，2， WANG Weiqing1，2

(1. College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， Xinjiang， China; 2. Engineering Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Technology of Ministry of Education， College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047， Xinjiang， China)

The model of doubly-fed wind turbine with low voltage ride-through capacity is built based on PSCAD platform， and then the ride-through and failure characteristics under different low voltage ride-through mode are simulated and the impacts of above factors on fault current of unit are verified by the simulation. The reason that the fault current is non-frequency is putting traditional rotor Crowbar circuit into operation， but when other non-rotor Crowbar circuit is used， the fault current frequency will be in normal working state. The side of wind farm will show weak power characteristics when the contact line of wind farm occurs any type of asymmetrical ground fault， specially under the condition of single-phase ground fault. In wind farm protection configuration and setting， these influencing factors need to be considered．

doubly-fed wind turbine; low voltage ride-through capacity; fault characteristics; influencing factor; wind power generation

2015- 03- 05

教育部創新團隊(IRT1285);國家自然科學基金(51267017、51106132);新疆大學博士創新項目(XJUBSCX- 201223)

樊小朝(1979—)，男，河北行唐人，講師，博士，主要從事新能源發電技術研究工作．

TK721

A

0559- 9342(2015)11- 0114- 04