并网型异步风电机组的低电压穿越性能分析

杨志越，李凤婷

（新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐830047）

风电在我国电网中的比例越来越高，对电网的影响也越来越大。为了维护电网的安全稳定运行，新的并网规程对风电场并网提出了更为严格的要求，其中低电压穿越就是其中的重要指标之一。

随着各种风电机型的不断推出以及已建风电场不断地扩容，出现了在同一个风电场中各种不同类型风电机组同时运行的情况。目前新安装的直驱式同步风电机组已经达到了国网并网规程中关于风电机组低电压穿越的技术要求，但在已建成的风电场中还存在大量较早投产的异步风电机组，这些机组在生产时并没有考虑到低电压穿越这一技术要求，因此研究异步风电机组低电压穿越性能，并给出合理的改进或解决措施使其具备低电压穿越能力具有非常重要的意义[1，2]。

本文给出了风电机组模型，建立了风电场仿真系统模型，分别仿真了两种最典型异步风电机组在短路故障后，采取改善措施前后低电压穿越的性能并进行了对比分析。

1 风电机组的低电压穿越

低电压穿越是指风电机组端电压跌落到某一数值的情况下能够继续维持并网运行，甚至还能够在故障电网电压恢复期间向电网提供一定的无功支持以帮助电网电压恢复正常，从而穿越这个低电压时间。

目前一些西方国家已经出台了相关风电机组低电压穿越的强制性标准，对风电机组低电压的运行指标提出了具体的标准。不同国家有不同的要求：德国要求电网电压跌落到15%时持续300 ms；美国要求风电场电压跌落至15%额定电压时能够维持并网运行625 ms[3，4]。我国在2011年上半年也通过了自己的国家标准即《风电场接入电力系统的技术规定》，其中要求风电机组必须具有在系统电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625 ms 的低电压穿越能力；并在2 s 内电压跌落能够恢复到额定电压90%时风电场必须保持并网运行。

2 异步风电机组的模型

与其它发电机组不同的是在将风能转变成电能的过程中风速的大小是随机变化的，所以异步风电机组模型除了异步发电机模型外还要包括风速模型。

2.1 风速的模型

目前普遍将风速模型分为基本风、阵风、渐变风和随机风4 种，作用在风力发电机上的为四种风速的叠加，其风速模型为

2.2 异步发电机的模型

异步发电机组的等效电路如图1 所示。

图1 异步风力发电机组的等效电路Fig.1 Asynchronous wind turbine equivalent circuit

图1中：XA表示定子电抗，XB表示转子电抗，XC表示励磁电抗，Rr表示转子电阻，U 表示机端电压。

风电场用异步风电机组采用考虑转子暂态的三阶机电暂态模型，其数学模型为

式中：τJ为发电机转子惯性时间常数；TE为发电机的电磁转矩；TM是发电机侧的机械转矩；s 为滑差；x′为发电机暂态电抗为定子开路时转子回路的时间常数。

异步风电机组主要包括两种典型机型：鼠笼式异步风电机组和双馈式异步风电机组。这两种异步风电机的总体结构如图2 和图3 所示。

图2 鼠笼式异步风电机组结构Fig.2 Squirrel-cage induction wind turbine structure diagram

图3 双馈式异步风电机组结构Fig.3 Doubly fed induction wind turbine structure diagram

3 无功补偿装置（STATCOM）的模型

STATCOM （static synchronous compensator）是基于全控型电力电子器件实现的静止无功发生装置，具有控制特性好、响应速度快、体积小、耗能低等特点，其等效电路如图4 所示[5]。

图4 STATCOM 的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of STATCOM

数学模型为

式中：W 为D-Q 坐标系的旋转角频率，与三相系统电压角频率相同；M 为逆变器调制比；α 为STATCOM输出电压和系统电压之间的相角差；UDC为直流电容电压；U 为电力系统电压瞬时值。

4 算例仿真分析

4.1 仿真风电场系统模型简介

本文算例为风电场接入无穷大系统，其接线图如图5 所示。仿真风电场分别由6 台1.5 MW 的鼠笼式异步风电机组和6 台1.5 MW 的双馈式异步风电机组组成。每台异步风电机出口电压均为690 V，通过集电变压器把电压从690 V 升压至10 kV，然后通过一条10 km 长的输电线路连接到风电场的升压站并将电压升高至220 kV 最终接入无穷大系统[6]。

图5 并网风电场的接线图Fig.5 Wind farm grid connection diagram

为了研究两种异步风电机组低电压穿越的性能及改善提高方法本文特设定了两种情况：采取改善措施前后即在汇流母线机组端加装无功补偿装置（STATCOM）前后两种机组的低电压穿越的情况。

4.2 不同异步风电机组低电压穿越性能的仿真分析

本文仿真中，以图5 所示的风电场10 kV 输电线路距风电机组群5 km 处发生三相短路故障来模拟的，在仿真中风电机组风速稳定在12 m/s，假设输电线路在t=35 s 时发生瞬时三相短路，故障发生0.1 s 后被清除。

4.2.1 未采取改善措施即未在汇流母线机组端加装无功补偿装置（STATCOM）

两种异步风电机组在发生三相短路故障后的各参数的变化情况如图6 所示。

图6 两种异步风电机组在发生三相短路故障后的各参数变化情况Fig.6 Parameters changes of two kinds of asynchronous wind turbine in the event of an three-phase short circuit fault

由图6（a）、6（c）和6（e）可知：在发生严重的三相短路故障后鼠笼式异步风电机组的机端电压迅速降低，后逐渐稳定在0.65 p.u.附近；输出的有功功率也大幅下降直至38 s 后降为零值；发电机的转速也不断上升到38 s 时已接近到1.2 p.u.转速。

由图6（b）、6（d）和6（f）可知：在发生严重的三相短路故障后，双馈式异步风电机组的机端电压在故障消失后迅速恢复到1 p.u.并维持稳定；发电机输出的有功功率在故障消失后出现了轻微波动，但随后则恢复到正常水平；发电机转速在故障前后只出现了小幅波动，达到1.224 p.u.转速的峰值后迅速回落，37.6 s 后转速也恢复到正常水平。

对比图6 各参数变化曲线可以得出：鼠笼式异步风电机组低电压穿越性能很差，不具备低电压穿越能力；双馈式异步风电机组在低电压穿越性能上明显优于鼠笼式异步风电机组。

4.2.2 采取改善措施即在汇流母线机组端加装无功补偿装置（STATCOM）

两种异步风电机组在发生三相短路故障后的各参数的变化情况如图7 所示。

图7 采取改善措施后两种异步风电机组在发生三相短路故障后的各参数变化情况Fig.7 Parameters changes of two kinds of asynchronous wind turbine in the event of an three-phase short circuit fault after taking improving measures

由图7（a）、7（c）和7（e）可知：加装无功补偿装置（STATCOM）后，在故障发生后鼠笼式异步风电机组的机端电压在小幅波动后迅速恢复正常；输出的有功功率和发电机转速在短暂波动后也逐渐恢复正常，从以上变化曲线反映的情况可知在加装了无功补偿装置（STATCOM）后鼠笼式异步风电机组具备了低电压穿越能力并且性能得到了明显提高。

由图7（b）、7（d）和7（f）可知：在加装了无功补偿装置（STATCOM）后双馈式异步风电机组各项参数的变化与未加时相比得到了进一步改善：故障后机端电压波动更小，恢复有功出力更快，发电机的转速变化也更加平稳。

由图7 各参数变化曲线可以看出在加装了无功补偿装置（STATCOM）后，两种异步风电机组的低电压穿越性能都得到了提高，尤其是鼠笼式异步风电机组低电压穿越性能提高最为明显。由此可得：在汇流母线风电机组端加装了先进的无功补偿装置（STATCOM）后，可以明显改善异步风电机组的低电压穿越性能，尤其是鼠笼式异步风电机组提高最为明显使其具备了低电压穿越能力。

4 结语

通过仿真对比两种典型异步风电机组故障后各参数的变化情况，可以得出鼠笼式异步风电机组不具备低电压穿越能力，其低电压穿越性能远差于双馈式异步风电机组。出现这种情况的主要原因在于鼠笼式异步风电机组在故障发生后在系统电压恢复过程中要从电网吸收大量的无功功率以重建发电机内部磁场，从而进一步降低了机端的出口电压[7]。而双馈式异步风电机组在故障消失后重新启动变换器来控制发出的有功功率和吸收的无功功率，减小了发电机机端的电压降。对于正在并网运行的鼠笼式异步风电机组，为了提高其低电压穿越性能可以在原有机组不做改动的基础上在汇流母线机组端加装先进的无功补偿装置（STATCOM），这样可以使鼠笼式异步风电机组具备低电压穿越能力，同样也可以提高双馈式异步风电机组的低电压穿越性能。

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[5]张锋，晁勤（Zhang Feng，Chao Qin）.STATCOM 改善风电场暂态电压稳定性的研究（Research on improving transient voltage stability of wind farm by STATCOM）[J].电网技术（Power System Technology），2008，32（9）：70-73.

[6]闫广新，李江，张锋，等（Yan Guangxin，Li Jiang，Zhang Feng，et al）. 变速双馈风电机组低电压穿越功能仿真（Functional simulation for low voltage ride through capability of DFIG for wind turbines）[J]. 电网与清洁能源（Power System and Clean Energy），2009，25（6）：49-52.

[7]张兴，张龙云，杨淑英，等（Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al）. 风力发电低电压穿越技术综述（Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：1-8.