基于PSCAD／EMTDC的雙饋型風電機組連鎖脫網研究

黃 尋，侯延鵬，朱宏超，馬志騏

（國網本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

基于PSCAD／EMTDC的雙饋型風電機組連鎖脫網研究

黃 尋，侯延鵬，朱宏超，馬志騏

（國網本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

隨著大規模風電機組并網數量的不斷增加，風電機組脫網問題成為威脅電網安全穩定運行的重要因素。分析了雙饋感應風電機組單機運行特性，在電力系統仿真平臺PSCAD／EMTDC中搭建了雙饋型風電場群的兩機仿真等值模型。通過仿真模擬機組連鎖脫網過程，揭示了雙饋型風電機組群的連鎖脫網機理。

雙饋感應發電機；連鎖脫網；等值模型；PSCAD／EMTDC

1 雙饋型風電機組（DFIG）連鎖脫網概述

風電是目前除水電以外最成熟、經濟效益最好的可再生能源發電技術，在世界各國都得到重視。隨著我國大型風電基地的開發和建設，中國的風電裝機規模已經躍居世界第一位［1］。

大規模風電機組接入電網也給電網的安全穩定運行帶來挑戰。近年來風電機組連鎖脫網事故時有發生。2011年甘肅酒泉、河北張家口等風電基地連續發生大規模的風電機組脫網事故，造成電力系統較大的有功功率缺額和無功功率變動，嚴重影響電網頻率和電壓穩定［2］。

現有不少文獻研究了大規模雙饋型風電機組（DFIG）連鎖脫網事故。文獻［3］研究了由于撬杠保護動作時間明顯小于定子回路機械開關動作的時間，使得雙饋電機在最終脫離電網前進入異步運行狀態。文獻［4－5］根據實際風電機組脫網案例，分析了風電機組脫網原因及對策，描述了脫網事故現象，分析了脫網事故發生的原因。文獻［5］探究了大規模風電機組連鎖脫網事故機理，分析了典型脫網事故發展過程，研究風電機組事故演化發展主導因素，分析連鎖脫網事故發展過程。文獻［6］分析了雙饋型風電集群近滿載工況下連鎖脫網機理，討論低壓脫網中風電機組動態過程的時序切換特征和無功變化特征，研究了風電場接近滿載連鎖脫網過程。

本文以雙饋感應風電機組為研究對象，分析了雙饋感應風電機組的單機運行特性，在電力系統仿真軟件PSCAD／EMTDC中，搭建了風電場群中機組電磁暫態仿真等值模型，通過仿真模擬機組連鎖脫網過程，研究了大規模風電機組群的連鎖脫網機理。

2 雙饋型風電機組單機運行特性

雙饋型風電機組在東北地區風電場中，特別是遼寧地區的風電場得到了廣泛應用。本文采用遼寧地區風電場中常用的Gamesa G58－850kW型雙饋型風電機組為例進行研究。

雙饋型風力發電系統主要由風力機、異步發電機和四象限變流器等部分組成，為保障轉子側變流器的安全運行，雙饋型風電機組通常配置Crowbar保護［7－8］。配置了Crowbar保護的雙饋型風電機組結構如圖1所示。

圖1 雙饋型風電機組結構

機組的額定功率為850 kW，額定轉速為1 620 r／min，定子額定電壓、額定電流、額定功率分別為690 V，699 A，800 kW，轉子額定電壓、額定電流、額定功率分別為150 V，277 A，50 kW。設備生產廠家給出的G58－850kW機組的風速—功率運行特性設計曲線如圖2所示。機組的切入風速為3 m／s，切出風速為21 m／s。當風速大于12 m／s時，機組處于近滿載狀態。

DFIG正常運行時的數學模型為［9－10］

圖2 G58－850kW機組的風速—功率運行特性設計曲線

式中：usd（q）為定子的d（q）軸電壓；urd（q）為轉子的d（q）軸電壓；isd（q）為定子的d（q）軸電流；ird（q）為轉子的d（q）軸電流；Rs（r）為定（轉）子繞組電阻；ψsd（q）為定子的d（q）軸磁鏈，ψrd（q）為轉子的d（q）軸磁鏈；Ls（r）為定（轉）子繞組自感；Lm為定（轉）子繞組d（q）互感；ω1為同步旋轉角速度；ωs為轉差角速度；Tj為轉子轉動慣量；Np為極對數；Te和Tm分別為機械轉矩、電磁轉矩。

3 兩機等值仿真模型

以遼寧地區某風電場為研究對象，2臺雙饋感應風電機組型號均為G58－850kW，通過風電機組出口箱變（升壓變）、風電場內集電線路、風電場出口主變、風電場外送線路與220 kV主電網相連，正常運行時各機組均以恒定功率因數cosφ＝1.0運行。該風電場主要設備及送出線路參數如表1所示。場內集電系統（包括風電機組出口升壓變、場內各集電系統線路等）電壓等級為35 kV。2臺雙饋型風電機組聯網運行系統主接線如圖3所示。

表1 風電場主要設備及送出線路參數

4 DFIG兩機連鎖脫網仿真算例分析

4.1 初始運行條件

運行條件：DFIG1風速V1＝16 m／s，DFIG2風速V2＝13 m／s，2臺機組均以單位功率因數運行，轉子變流器向電網輸出的無功功率為0 Mvar，電網電壓U1＝1.05 p.u.。

4.2 仿真擾動條件

圖3 DFIG兩機仿真系統示意圖

電壓擾動地點：風電場主變低壓側母線；電壓擾動時刻：t＝0.615 s（為DFIG1轉子c相電流達到幅值時刻）；擾動持續時間：80ms；仿真步長：Δt＝10 μs；Crowbar保護動作定值：500 A［3］；Crowbar保護電阻：0.1 Ω；定子接觸器動作時間：80ms［11－12］。

4.3 仿真結果

DFIG兩機連鎖脫網仿真結果如圖4所示。

當t＜0.615 s時，DFIG1和DFIG2處于穩態運行。

當t＝0.615 s時，風電場主變母線低壓側發生電壓擾動。此時DFIG1轉子c相電流瞬時值達到幅值380 A。風電場主變高壓側電壓U3由0.991 p.u.突降至0.85 p.u.，引起DFIG1和DFIG2轉子電流增大。

當t＝0.615 5 s時，即風電場主變高壓側電壓U3陷落后約0.5ms，DFIG1轉子c相電流首先達到Crowbar保護動作定值500 A，DFIG1機組Crowbar保護動作。

此后，DFIG1從電網吸收無功功率，使風電場主變高壓側電壓U3進一步下降，DFIG 2轉子電流進一步增大。

當t＝0.679 5 s時，即DFIG1機組Crowbar保護動作后約64ms，DFIG1從電網吸收無功功率達到0.31 Mvar，風電場主變高壓側電壓U3由擾動出現時的0.85 p.u.降低至0.74 p.u.（電壓陷落量ΔU＝0.11 p.u.）。此時，DFIG2轉子c相電流達到Crowbar保護動作定值500 A，DFIG2機組Crowbar保護動作。

圖4 DFIG兩機連鎖脫網仿真波形

至此，電壓擾動出現后約64.5ms，DFIG1和 DFIG2的Crowbar保護均已動作。連鎖脫網已經開始。

此后，DFIG2從電網吸收無功功率，使風電場主變高壓側電壓U3進一步下降。

當t＝0.695 5 s時，即DFIG1機組Crowbar保護動作后80ms、DFIG2機組Crowbar保護動作后16ms時，DFIG2從電網吸收無功功率達到0.025 Mvar，風電場主變高壓側電壓U3由0.74 p.u.降至0.72 p.u.（該值為連鎖脫網過程中U2的最低值）。此時，DFIG1定子接觸器動作，將DFIG1定子繞組從電網切除。DFIG1定子繞組切除前，DFIG1吸收無功功率為0.309 Mvar。

DFIG1定子繞組從電網切除后，風電場主變高壓側電壓U3開始回升。

當t＝0.759 5 s時，即DFIG2機組Crowbar保護動作后80ms，風電場主變高壓側電壓U3由0.72 p.u.回升至0.89 p.u.。此時，DFIG2定子接觸器動作，將DFIG2定子繞組從電網切除。

DFIG2定子繞組從電網切除后，風電場主變高壓側電壓U3由0.89 p.u.回升至1.015 p.u.。

綜上，當風電場主變低壓側出現電壓擾動，使風電場主變高壓側電壓由擾動前的0.991 p.u.變至0.85 p.u.，距電壓擾動出現后約144.5ms，DFIG1和DFIG2由于連鎖原因導致二者脫網。

5 結束語

大規模風電機組連鎖脫網是電網安全運行所面臨的又一新挑戰。本文從雙饋感應風電機組的運行特性角度搭建兩機仿真系統的風電場等值模型。忽略風電場內部機組之間的影響，通過仿真模擬風電機組間的連鎖脫網事故，更加準確地揭示了連鎖脫網機理。

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Study on Cascading Trip?off of Doubly?fed Induction Generators Based on PSCAD／EMTDC

HUANG Xun，HOU Yan?peng，ZHU Hong?chao，MA Zhi?qi
（State Grid Benxin Power Electric Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China）

With the increasing of large?scale wind power integration quantity，the problem of the cascading trip?off for wind generators becomes a threat to the safely and steady operation of power grid.The operational characteristics of doubly?fed induction generator（DFIG）is analyzed.Equivalent model of two doubly?fed induction generators for doubly?fed wind farms is developed based on the pow?er system analysis software of PSCAD／EMTDC.The process of cascading tripping of DFIGs is simulated and the cascading trip?off mechanism of doubly?fed wind generators is investigated.

DFIG；Cascading trip?off；Equivalent model；PSCAD／EMTDC

TM614

A

1004－7913（2016）06－0031－04

黃 尋（1979—），男，學士，工程師，主要從事電網調控運行工作。

2016－03－09）