恒速异步发电机型风电场低电压穿越能力仿真研究

2014-10-21王家华

大电机技术 2014年1期

李升，王家华

李升1，王家华2

（1. 南京工程学院电力工程学院，南京 211167；2. 南京四方亿能电力自动化有限公司，南京 211101 )

本文以一个机端母线设置为节点的恒速异步发电机型风电场接入无穷大系统为例，对风电场接入系统线路发生三相接地短路故障时的风电场低电压穿越(LVRT)能力进行了仿真分析，研究结果显示风电场的LVRT能力主要取决于故障发生后系统维持暂态电压稳定的能力，即取决于故障切除时间t的大小。当t小于或等于故障极限切除时间t时，风电场则具备一定的LVRT能力；当系统具有较大的t值时，可有效提高风电场低电压穿越的持续时间；在t≤t的前提下，故障切除时间越短，风电场并网点电压恢复正常水平的速度越快。当风电机组机端并联电容器组、SVC、STATCOM等无功补偿设备时，均可有效增大系统的t值，从而显著提高风电场的LVRT能力；其中STATCOM对风电场LVRT能力的补偿效果最好。

风电场；恒速异步发电机；低电压穿越；暂态电压稳定性；故障切除时间

0 前言

风电场低电压穿越能力（low voltage ride-though, LVRT）是指风电机组在电网发生短路故障引起并网点电压跌落时保持不脱网连续运行的能力。要求风电场及风电机组具有LVRT能力的主要目的是为了防止电网故障时风电机组切机及反复并网可能带来的安全稳定问题。

我国2012版《风电场接入电力系统技术规定》给出了风电场具备LVRT能力的并网点电压下限轮廓线，如图1所示[1]，其中低电压穿越的持续时间为625ms，是在继电保护（快速保护）动作时间、断路器跳闸时间及保证具有一定时间裕度的基础上总结出的。同时规程还规定风电场并网点电压在短路故障发生2s后能够恢复到标称电压的90%及以上。

目前风电场采用的风电机组主要有两种类型，一种是恒速风力发电机组，即普通异步发电机组；另一种是变速风力发电机组，如双馈异步发电机、直驱永磁同步发电机等。变速风力发电机组在换流器等装置的作用下一般具有一定或较强的LVRT能力[2-4]；而恒速异步发电机组在运行时由于要吸收无功功率以建立磁场，其本身一般被认为不具备LVRT能力，但可在其机端、箱变高压侧或风电场主变低压侧装设电容器组、SVC或STATCOM等无功补偿装置提高风电场的LVRT能力[5-6]。恒速异步发电机型风电场目前仍广泛使用，因此研究这类风电场的LVRT能力具有现实的意义，对于保障风电场的安全稳定运行极为重要。

图1 风电场低电压穿越要求

本文运用PSAT软件对一个恒速异步发电机型风电场—无穷大系统中风电场的LVRT能力进行仿真研究，从系统暂态电压稳定性的角度研究风电场的LVRT问题，探讨故障切除时间对各种情况下风电场LVRT能力的影响。

1 算例介绍

图2 风电场接入大电网

如图2所示的一个风电场—无穷大系统，风电场采用同型号的恒速恒频异步风力发电机组，一机一箱变接线，汇集后经10.5kV 场内线路接入主升压变，再经过110kV双回输电线路接入电网。

单台恒速恒频异步风力发电机参数：额定容量2MVA，额定电压0.69kV，r=0.048p.u.，x=0.075p.u.，r=0.018p.u.，x=0.12p.u.，x=3.8p.u.，H=2.5s。风电场由10台机组组成，额定容量达20MVA。

单台箱式变压器参数：0.69/10.5kV，额定容量2.25MVA，短路阻抗6.5%。

场内线路：阻抗为0.198+j0.624p.u.(基准容量100MVA)。

风电场主变：10.5/121kV，额定容量50MVA，短路阻抗10.5%。

风电场接入系统输电线路：每回阻抗为0.132+j0.375p.u.（基准容量100MVA）。

在进行建模和时域仿真时标幺值基准容量取100MVA，基准电压取各电压等级的平均额压。

风速模型采用韦伯（Weibull）模型，具体参数采用PSAT提供的默认值。

无穷大系统端母线Bus5设置为Slack节点，电压幅值取1p.u.，电压参考相角为0。风电机组的机端母线既可设置为节点，也可设置为节点；考虑在实际运行中一般按节点运行，因此本文将风电机组机端母线Bus1设置为节点，异步风力发电机发出的有功功率占其额定容量的80%(即0.16p.u.)，吸收的无功功率占额定容量的30%(即0.06p.u.)。

在图2所示系统中，母线Bus4为风电场并网点。

由于风电场LVRT能力涉及到电网侧发生短路故障后风电场内各母线电压能否及时恢复的问题，因此与系统的暂态稳定性紧密相关。图2所示系统中，异步发电机可被视为一个吸收无功功率的感性负荷，因此该系统存在的暂态稳定性问题属于暂态电压稳定的范畴。衡量系统暂态电压稳定性的主要指标是故障极限切除时间t，当故障切除时间t小于或等于t时，系统各母线电压均能够恢复正常；否则系统内至少有1条母线电压发生崩溃[7]。

2 风电机组无无功补偿时的风电场LVRT能力分析

现假设风电机组机端未装设任何无功补偿设备，潮流计算结果显示异步发电机所吸收的无功功率(0.06p.u.)全部由无穷大系统提供，机端母线Bus1电压为0.9087p.u.。现分别考察风电场接入无穷大系统的双回输电线路中L2首端（即发送端）及L2中点处发生三相接地短路(接地阻抗为0+j0.001p.u.)时的风电场LVRT能力。

2.1 线路L2首端发生短路故障

设线路L2首端（即风电场并网点）在时间=2s时发生三相接地短路，线路保护在时间t（即故障切除时间）后切除故障线路，线路不重合；仿真过程中不考虑继电保护动作。经过反复的仿真测试可求得系统的故障极限切除时间t。由于风速具有随机性和间歇性，从而导致机端输出电压也具有波动性，因此当在不同时间进行仿真测试时，t的大小可能会产生一些微小的变化，但偏差一般只在几ms 之内。

如图3（a）所示，当t=0.619s时，机端母线电压能够恢复正常，系统能够维持暂态电压稳定；当t=0.620s时，机端母线电压发生崩溃，系统失去暂态电压稳定性，因此故障极限切除时间t=0.619s。

当电网侧线路L2发生短路故障时，异步风力发电机的电磁转矩和机械转矩不平衡导致机组转速不断增大，如图3（b）所示，若故障切除时间t大于t，则转子加速将失去控制，最终造成机端电压崩溃（跌落至0p.u.）；若考虑继电保护动作，则风电机组的超速保护和低电压保护将机组从电网切除。如图3（c）所示，由于短路故障发生在非常接近风电场并网点的线路L2的首端，因此故障期间Bus4电压跌落在0p.u.左右。当t=0.619s时，Bus4电压在故障发生2s后能够及时恢复至0.9p.u.以上，说明风电场具有一定的LVRT能力。而当t=0.620s时，Bus4电压无法恢复正常，最终跌落在0.70762p.u.，风电场无法实现LVRT功能；注意此时Bus4电压由于受到无穷大系统的支撑，其跌落水平并不会过低。

2.2 线路L2中点发生短路故障

现假设三相接地短路故障发生在线路L2的中点，其他仿真条件不变，经测试可求得系统的t=0.738s，和故障发生在线路L2首端的情况相比，系统的故障极限切除时间明显增大，系统维持暂态电压稳定性的能力增强，而风电场低电压穿越的持续时间也相应变长。如图4所示风电场并网点Bus4的电压变化曲线，由于故障点距离并网点有一定的电气距离，因此故障期间的并网点电压跌落水平得到提高；当t=0.738s时，Bus4电压可恢复至0.9p.u.以上；若将故障切除时间缩短，例如取0.625s，则Bus4电压恢复正常运行水平的速度将明显加快，显著提高了风电场的LVRT能力。

由以上分析可知，并入电网的风电场的LVRT能力主要取决于故障后系统恢复暂态电压稳定性的能力和故障切除时间，当故障切除时间小于或等于系统的故障极限切除时间时，即使恒速异步风电机组机端不装设任何无功补偿设备，也可使风电场具备一定的LVRT能力。

3 风电机组机端有无功补偿时的风电场LVRT能力分析

文献[8]运用仿真方法考察了并联电容器组、SVC、STATCOM对风电场并网点电压的补偿作用，现考虑异步风力发电机组机端母线分别装设这3种无功补偿设备时对含风电场的电力系统的暂态电压稳定性和风电场LVRT能力的补偿效果。

图3 机端无补偿、L2首端短路时电压和转速变化曲线

图4 机端无补偿、L2中点短路时并网点电压变化曲线

首先以风电机组机端并联电容器组的情况来确定无功补偿的额定容量。由潮流计算结果可知，当取电容器组额定容量为6MVar时，电容器组发出的无功功率为0.05702p.u.，不足以补偿异步发电机需吸收的无功（0.06p.u.）。当取额定容量为7MVar及以上时，电容器组发出的无功功率>0.06p.u.，可满足异步发电机对无功的需求。在实际仿真时，电容器组、SVC(采用PSAT提供的I型SVC模型)、STATCOM的额定容量均取8MVar，当系统稳定运行时，电容器补偿可使并网点电压维持在1.009p.u.左右，SVC补偿维持在0.992p.u.左右， STATCOM补偿则维持在1.006p.u.左右。

风电机组机端装设各种无功补偿设备时，系统的故障极限切除时间t如表1所示（基本仿真条件同前）。

表1 故障极限切除时间tvc/s

由表1可知，当风电机组机端母线装设无功补偿设备时，可明显增大t值，从而有效提高系统的暂态电压稳定性和风电场的低电压穿越持续时间。其中以STATCOM的补偿效果最好；而SVC的补偿效果反不及电容器组。另外，由表1可知，线路L2中点发生短路故障时的t值均较相应的L2首端发生短路故障时的t值大。

图5为故障切除时间t=0.625s时，风电机组机端未进行无功补偿及分别采用电容器组、SVC和STATCOM补偿时的并网点电压变化曲线。由图5可知机端未装设无功补偿设备时，并网点电压最终崩溃，这是由故障极限切除时间小于0.625s的原因所造成的；而机端装设电容器组、SVC或STATCOM时，由于对应的故障极限切除时间均大于0.625s，并网点电压均能在故障发生2s后恢复正常（0.9p.u.以上）。当机端装设STATCOM时，故障切除后并网点电压的恢复速度最快，电容器组次之，而SVC相对最慢。

4 结论

本文运用PSAT软件对一个机端母线设置为节点的恒速异步发电机型风电场并入无穷大系统时的LVRT能力进行了仿真研究，可获得如下结论：

（1）风电场的LVRT能力取决于系统在短路故障发生后维持暂态电压稳定的能力，要保证电网侧发生短路故障时风电场具有LVRT功能，就须在系统故障极限时间t内将故障及时切除；当故障切除时间t大于t时，风电场不具备LVRT能力。

图5 L2首端短路时并网点电压变化曲线(ts=0.625s)

（2）在t小于等于t的前提下，故障切除时间越短，并网点电压恢复正常水平的速度也越快，风电场的LVRT能力越强。

（3）在异步风力发电机机端母线装设电容器组、SVC或STATCOM时，可有效增大系统的t值，从而提高风电场的低电压穿越持续时间（即故障极限切除时间）；在各种无功补偿设备中，机端装设STATCOM时可获得最大的故障极限切除时间，在相同的t下，可使并网点电压的恢复速度最快，对提高系统暂态电压稳定性和风电场LVRT能力的效果最好。

（4）当风电场接入电网线路上的短路故障点与并网点之间的电气距离较大时，系统维持暂态电压稳定的能力和风电场的LVRT能力也较强，即风电场LVRT能力会受到电网侧短路故障点位置的影响，在并网点发生短路故障时风电场的LVRT能力最弱。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 19963-2011, 风电场接入电力系统技术规定[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

[2] 迟永宁, 王伟胜, 戴慧珠. 改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性研究[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(25): 25-31.

[3] 杨涛, 迟永宁, 郑涛. 双馈变速风电机组低电压穿越控制方案的研究[J]. 现代电力, 2009, 26(4): 36-40.

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[7] 李升, 王珣. 基于MATLAB的电力系统暂态电压稳定性仿真研究[J]. 南京工程学院学报(自然科学版), 2007, 5(2): 34-39.

[8] 杨志越, 李凤婷. 风电场异步风力发电机端无功补偿方案研究[J]. 大电机技术, 2011, (6): 25-28.

Simulation Study on LVRT Ability of Constant-speed Asynchronous Generator-based Wind Farm

LI Sheng1, WANG Jiahua2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China；2. Nanjing Sifang Epower Electric Automation Co., Ltd., Nanjing 211101, China)

A simulation model is established that a constant-speed asynchronous generator-based wind farm is accessed in the infinite system and the terminal bus of asynchronous generator is set innode. Base on the model we make some simulation analyses about LVRT ability of the wind farm when the 3-phase grounding short circuit fault happens in the grid connected line. The research results show that wind farm’s LVRT ability mostly depends on the ability of maintaining transient voltage stability after the fault happened, namely depends on the fault clearing timet. Whentis shorter than or equal to the fault critical clearing timet, the wind farm can have a certain LVRT ability and the greater tcan improve the duration time of LVRT. Whent≤t, the shorter the fault clearing timetis, the faster the voltage of grid connected bus recovers. When the terminal bus of the asynchronous generator parallels capacitor bank, SVC or STATCOM, the tcan be increased effectively and the ability of LVRT can be improved obviously, and the STATCOM can obtain the best compensation effect on LVRT ability.

wind farm; constant-speed asynchronous generator; low voltage ride-though(LVRT); transient voltage stability; fault clearing time

TM315

1000-3983(2014)01-0024-04

南京工程学院科研基金项目(QKJC2009007)

2013-03-13

李升（1973-），1995年毕业于河海大学电力系统及其自动化专业，研究方向为电力系统稳定与控制、新能源并网及智能电网技术，副教授。