短路点电气距离对并网风电场低电压穿越效果仿真分析

刘永贵，颜光龙

(东方电气集团东风电机有限公司，四川乐山614802)

基于双馈感应电机的变速风电机组由于其具有变速运行的特性，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力［1］;并且能够通过变频器控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制［2，3］，有效改善风电场功率因数及电压稳定性，因此，其静态及暂态电压稳定性要远远好于基于普通异步发电机的恒速风电机组。

当风电场出口发生严重短路故障时，转子电流一般会超出2倍转子额定电流，变频器的Crow－bar保护便会动作将转子绕组短接，转子侧变频器同时闭锁，此时双馈机组将失去控制能力，整个双馈感应发电机按普通异步发电机运行并从电网侧吸收无功，此时电网侧变频器可以控制接入点的无功功率和电压，桨距角控制器可以降低涡轮机的机械功率以防止转子加速。当故障清除、电压频率重建后，转子侧变频器重新启动，风电机回到了正常运行中。

笔者通过风电场的电力系统仿真计算，验证了模型的有效性，通过仿真风电场不同点发生三相短路后风电场的变化验证:短路点与DFIG的电气距离越远，DFIG的LVRT效果越好。

1 双馈感应发电机模型

图1为典型双馈感应发电机结构。双馈感应发电机是在普通绕线式异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑环与定子之间的四象限变频器及其控制系统而构成的［4，5］。通过双馈电机的部分功率变频器与电网之间交换转差功率，可以通过变频器实现对整个双馈电机有功、无功功率的控制。在电网发生故障时，转子短路器保护(Crow－bar protection)、保护转子侧变频器(RSC)不被过电流损坏。整个双馈感应发电机的控制是通过控制转子侧变频器(RSC)和网侧变频器(GSC)实现的(图1)。

图1 双馈风力发电系统结构图

2 风轮机模型

风轮机的空气动力学模型［6］是以CP－λ－β曲线为特征。CP为叶片的风能转换效率系数，是λ与β的函数。叶尖速比λ由以下公式定义:

式中R为风力机叶轮半径;ω为风轮角速度，rad/s;νw为风轮转速，r/min;风能转换效率系数CP具体取值由风机厂商给出。在给定CP的情况下，风电机组从风中获取的能量转化成的风电机组机械功率Pm可由式(2)计算:

式中ρ为空气密度;Ar=πR2，为叶片扫过的面积。

3 风电场及电网模型

研究表明，一个风电场内各台风机之间的电气联系紧密，在系统大扰动故障情况下，各台风机的反应十分类似，因此，把风电场看做是一个整体来简化计算过程对于结论并不会产生很大的误差。文中采用一台容量等于整个风电场容量的等值风电机组模型代替整个风电场(图2)。

图2 DIgSilent中建立的风电场模型

图2 中，各双馈风机连接至风电场母线WT1，经0.69/35kV升压变压器Tr2与MV母线相连，再经过35/220kV升压变压器Tr1与PCC母线相连，接入实际电网。

该模型包含33台1.25MW的双馈风机，电机参数如表1所示(注:r1、r2为转、定子电阻;L1、L2为转、定子电感;Lm为励磁电感)。

表1 电机参数表

表中，p.表示功率标么值;u.表示电压的标么值。

图3 算例系统地理位置主接线示意图

4 算例分析

DFIG的仿真条件如下:

(1)DFIG滑差率为S=－0.2p.u.。

(2)Crowbar投入门槛电流为1.5p.u.。

(3)由于投入Cowbar保护电路所需的时间较短，从检测故障到投入只需1～2ms，故可以认为短路故障后crowbar立即投入。

(4)Crowbar阻值取0.9p.u.

算例一:

设双馈风电场出口母线WT1(即690V母线)在0s时发生三相对称短路故障，故障发生后0.15s时短路故障切除。图4为故障后风电场变化情况:

由图4(a)可以看出，故障发生后1ms，立即产生出很大的转子过电流，随之短路转子端部的crowbar被激活、转子侧变换器被封锁且旁路，从而保护了变换器免遭过电流损害;转子电流为6.05p.u.。0.06s时，Crowbar退出运行并产生一个较小的冲击电流和交流强制分量，使得转子侧电流小幅升高后开始振荡衰减。0.15s时，机端对称故障切除，机端电压开始迅速恢复，机端电压的快速恢复使得定子侧产生一个较大的冲击电流，并产生一个交流强制分量，使得转子侧电流大幅升高后开始振荡衰减，并逐渐趋于稳定。

由图4(b)可以看出，故障后，由于机端电压瞬间跌落至0，当故障切除后，随着机端电压的快速升高，风机无功功率开始振荡，故障切除以后风机从电网吸收的最大瞬时无功为1.35p.u.，随后能向电网提供的最大瞬时无功为1.95p.u.。

图4 风电场出口母线WT1故障后风电场变化情况

由图4(c)可以看出，0s时，机端发生三相短路故障，机端电压瞬间跌落到0;0.15s时，故障切除，机端电压瞬间增大，并迅速恢复至稳态，故障切除后的机端电压分别在0.164s和0.165s时恢复到1p.u.。

算例二:

设双馈风电场高压母线HV(即220kV母线)在0s时发生三相对称短路故障，故障发生后0.15s时短路故障切除。图5为故障后风电场变化情况:

对比图4(a)、5(a)可以看出，高压母线短路时，Crowbar保护装置投入后的转子侧电流中存在一个较大的交流强制分量，但高压母线对称短路时转子侧最大短路电流小于机端对称短路时的转子侧短路电流。

对比图4(b)、5(b)可以看出，高压母线对称短路时，由于机端电压跌落没有机端对称短路时严重，在Crowbar保护退出运行之前，双馈风机仍可以输出一定的无功，可以对电网电压提供一定的无功支撑。当电网故障切除后，在电压恢复瞬间，双馈风机从电网吸收的无功达2.1p.u.，大于机端对称短路时双馈风机从电网吸收的无功1.35 p.u.。由此表明，高压母线短路时，即短路点与电网的电气距离越近时，双馈风机就需要从电网吸收更多的无功功率。

图5 风电场高压母线HV故障后风电场变化情况

对比图4(c)、5(c)可以看出，高压母线对称短路时，机端电压跌落程度比机端对称短路时的机端电压跌落程度低。由此也说明，高压母线对称短路时，双馈风机的低电压穿越相对而言更容易实现。

5 结语

在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了双馈感应发电机(Double fed induction generator，DFIG)和仿真电力系统模型，验证了不同短路点对风电场低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)功能的影响。仿真结果表明:短路点与DFIG的电气距离越远，DFIG的LVRT效果越好。

［1］曹军，王虹富，邱家驹.变速恒频双馈风电机组频率控制策略［J］.电力系统自动化，2009，33(13):3－5;

［2］王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析［J］.电力系统自动化，2007，31(23):84－89;

［3］迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究［D］.中国电力科学研究院博士论文，2006，11;

［4］D.W.Xiang，L.Ran，P.J.Tavner，S.C.Yang.Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride－through［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(3):652－662;

［5］胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制［J］.电力系统自动化，2008，32(2):49－52.