具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障特性及影响因素分析研究

樊小朝，王维庆

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐市830047；2.新疆大学电气工程学院教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830047)

具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障特性及影响因素分析研究

樊小朝1，2，王维庆1，2

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐市830047；2.新疆大学电气工程学院教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830047)

在PSCAD平台下构建了具有低电压穿越能力的双馈风电机组模型，仿真分析了不同低电压穿越模式下的机组穿越特性和故障特性，并仿真验证了上述影响因素对机组故障电流的影响。指出传统转子Crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因，而采用其他非转子Crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显。在风电场保护配置和整定时需考虑上述因素的影响。

双馈风电机组；低电压穿越；故障特性；影响因素；风力发电

0 引 言

双馈式风力发电机由其优越性成为主流机型广泛应用于风电场。双馈风电机组的特殊结构和控制策略，导致其故障特性与常规发电机的故障特性存在明显差异。而其低电压穿越特性及具备LVRT的双馈风电机组故障特性更值得研究，将为保护整定配置提供一定参考。

目前实现低电压穿越技术方法主要概况为控制策略和增加硬件设备两个方面。转子侧LVRT技术方法是当今的主流技术。相关文献对机组低电压穿越及故障特性进行了研究。文献[1- 8]对基于转子Crowbar电路实现双馈风电机组LVRT方面研究较多，主要在Crowbar阻值大小，投切方法及投切时间方面进行了深入研究；文献[9]指出双馈风电机组投入转子Crowbar电路，故障电流频率受当前转子转速影响而变为非工频，对基于工频傅氏算法的保护性能产生较大影响。文献[10- 12]提出采用非转子LVRT技术实现机组低电压穿越能力，表现出一定优势。然而对于具备低电压穿越能力的双馈机组故障特性及影响因素未做系统分析和研究。

在PSCAD平台上搭建了含双馈风电机组的风电场模型，仿真验证了双馈风电机组具备低电压穿越能力。对具备低电压穿越能力的双馈机组故障特性及影响因素做了系统的分析和研究。从风电场运行运行方式、故障类型、无功补偿、风电机组无功控制策略、风电机组低电压穿越策等方面进行了详细分析和仿真验证。

1 建立模型

1.1 双馈风电机组低电压穿越策略

1.1.1 低电压穿越策略1(Crowbar 电路)

目前双馈风电机组较多的采用Crowbar 电路实现LVRT。在故障期间Crowbar电路触发将转子变流器短接，保护变流器，从而实现机组的不间断运行。

1.1.2 低电压穿越策略2(非Crowbar 电路)

传统的双馈风电机组采用Crowbar 电路实现LVRT，但存在一些缺点：发生故障后，Crowbar 电路动作，DFIG的运行特性近似于传统的恒速异步发电机，从电网消耗无功，不利于故障切除后电网电压的恢复。因此本文提出一种“DC-Chopper+定子制动电阻SDBR+网侧无功控制”的新策略代替传统Crowbar电路，实现机组的低电压穿越。如图1所示。

图1 基于新策略的LVRT拓扑结构

1.2 双馈风电机组建模

在PSCAD软件中搭建单机1.5 MW的并网双馈风电机组模型进行仿真验证。双馈风机参数为：空气密度ρ=1.229 km/m3，叶片半径R=29 m，扫风面积A=2 827 m2，额定风速11 m/s，定子电阻Rs=0.005 87(p.u.)、转子电阻Rr=0.002 09(p.u.)，定子电抗Xs=0.097 6(p.u.)，转子电抗Xr=0.163(p.u.)，互感电抗Xm=5.139 5(p.u.)，制动电阻SDBR取值为0.3 Ω，DC-Chopper电路触发值为直流母线电压的1.1倍。

2 双馈风电机组低电压穿越特性

基于上述控制策略及低电压穿越策略，在PSCAD/EMTDC中构建模型，在t=2.0 s时机组升压变高压侧电压跌落至0.2p.u，在2.625 s时电压跌落结束，持续时间为0.625 s。仿真波形如图2所示。

图2 双馈风电机组LVRT特性

仿真结果表明，传统的crowbar控制策略无法在电压跌落跌落程度较严重的情况下无法实现低电压穿越，而本文采取的控制策略可以实现低电压穿越。

3 具有LVRT的双馈机故障特性

3.1 风电运行方式

在风电场实际运行中，因运行风速、风机控制策略及检修维护投切机组比例的变化导致风电运行方式的多变。基于搭建的模型，2s时风电场联络线发生三相短路故障，故障时间持续0.1 s，仿真分析三种运行方式下风电场主变电压侧三相短路故障特性。

方式1，2台机组在风速12 m/s下出力3 MW；方式2，4台机组在风速9 m/s下出力3 MW；方式3，4台机组在风速12 m/s下出力6 MW。仿真结果：相同投运机组数目不同出力下，出力大小对故障电流的大小无明显影响；相同出力不同投运机组下，投运机组数目决定故障电流的大小，投运机组数目越多，故障电流就越大。相应保护整定时需考虑风电场的机组投切机比例。

3.2 无功补偿

在相同风速下(12 m/s)，投入8台双馈风电机组并网运行，2 s时风电场联络线发生三相短路故障，故障持续时间0.1 s，仿真分析不同无功补偿容量下单台双馈风电机组故障特性。

图3 不同无功补偿容量下短路电流

由图3可知，风电场投切无功补偿对风电机组故障电流特性有一定影响，风电机组向故障点提供的故障电流随无功补偿容量的增大而增大。

3.3 故障类型

3.3.1 故障仿真

故障类型有：单相接地短路、两相接地短路、两相及三相相短路，其中三相短路仿真如图4所示。

图4 联络线三相短路

3.3.2 故障分析

根据上述仿真结构可知，传统转子crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因(见图5)，而采用其他非转子crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更明显。

图5 基于Crowbar的短路电流幅频

3.4 机组无功控制策略

在相同风速下(12 m/s)，投入4台双馈风电机组并网运行，2 s时风电场联络线发生三相短路故障，故障持续时间0.1 s，仿真分析故障期间风电机组无功控制策略不同下的双馈风电机组故障特性(见图6)。

图6 联络线两相短路

由仿真可知，故障期间风电机组的无功控制策略对机组短路电流大小有一定影响，故障期间机组短路电流在发无功策略下较不发无功策略下的短路电流小。

3.5 机组低电压穿越策略

基于上述相同条件，仿真分析不同低电压穿越策略下的双馈风电机组故障特性。LVRT策略1为传统基于crowbar电路的低电压穿越策略，LVRT策略2为本文提出的(非crowbar)低电压穿越策略，仿真波形如图7所示。

图7 不同策略下的仿真波形

由仿真可知，风电机组机的低电压穿越策略不同组短路电流也不同。在保护整定时需要考虑不同低电压穿越策略对故障电流的影响。

4 结 论

本文提出双馈风电机组低电压穿越策略，搭建了具有低电压穿越能力的双馈风电机组，仿真验证了双馈风电机组模型的正确性及具备低电压穿越能力。在此基础上，仿真了风电机组在不同运行条件下的故障特征，结果表明风电场运行运行方式、故障类型、无功补偿、风电机组无功控制策略、风电机组低电压穿越策均会影响双馈风电机组的故障电流特性。传统转子crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因，而采用其他非转子crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显。研究成果具有一定的实际价值和意义。

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(责任编辑 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

教育部创新团队(IRT1285);国家自然科学基金(51267017、51106132);新疆大学博士创新项目(XJUBSCX- 201223)

樊小朝(1979—)，男，河北行唐人，讲师，博士，主要从事新能源发电技术研究工作．

TK721

A

0559- 9342(2015)11- 0114- 04