基于PSCAD／EMTDC的双馈型风电机组连锁脱网研究

黄 寻，侯延鹏，朱宏超，马志骐

（国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000）

基于PSCAD／EMTDC的双馈型风电机组连锁脱网研究

黄 寻，侯延鹏，朱宏超，马志骐

（国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000）

随着大规模风电机组并网数量的不断增加，风电机组脱网问题成为威胁电网安全稳定运行的重要因素。分析了双馈感应风电机组单机运行特性，在电力系统仿真平台PSCAD／EMTDC中搭建了双馈型风电场群的两机仿真等值模型。通过仿真模拟机组连锁脱网过程，揭示了双馈型风电机组群的连锁脱网机理。

双馈感应发电机；连锁脱网；等值模型；PSCAD／EMTDC

1 双馈型风电机组（DFIG）连锁脱网概述

风电是目前除水电以外最成熟、经济效益最好的可再生能源发电技术，在世界各国都得到重视。随着我国大型风电基地的开发和建设，中国的风电装机规模已经跃居世界第一位［1］。

大规模风电机组接入电网也给电网的安全稳定运行带来挑战。近年来风电机组连锁脱网事故时有发生。2011年甘肃酒泉、河北张家口等风电基地连续发生大规模的风电机组脱网事故，造成电力系统较大的有功功率缺额和无功功率变动，严重影响电网频率和电压稳定［2］。

现有不少文献研究了大规模双馈型风电机组（DFIG）连锁脱网事故。文献［3］研究了由于撬杠保护动作时间明显小于定子回路机械开关动作的时间，使得双馈电机在最终脱离电网前进入异步运行状态。文献［4－5］根据实际风电机组脱网案例，分析了风电机组脱网原因及对策，描述了脱网事故现象，分析了脱网事故发生的原因。文献［5］探究了大规模风电机组连锁脱网事故机理，分析了典型脱网事故发展过程，研究风电机组事故演化发展主导因素，分析连锁脱网事故发展过程。文献［6］分析了双馈型风电集群近满载工况下连锁脱网机理，讨论低压脱网中风电机组动态过程的时序切换特征和无功变化特征，研究了风电场接近满载连锁脱网过程。

本文以双馈感应风电机组为研究对象，分析了双馈感应风电机组的单机运行特性，在电力系统仿真软件PSCAD／EMTDC中，搭建了风电场群中机组电磁暂态仿真等值模型，通过仿真模拟机组连锁脱网过程，研究了大规模风电机组群的连锁脱网机理。

2 双馈型风电机组单机运行特性

双馈型风电机组在东北地区风电场中，特别是辽宁地区的风电场得到了广泛应用。本文采用辽宁地区风电场中常用的Gamesa G58－850kW型双馈型风电机组为例进行研究。

双馈型风力发电系统主要由风力机、异步发电机和四象限变流器等部分组成，为保障转子侧变流器的安全运行，双馈型风电机组通常配置Crowbar保护［7－8］。配置了Crowbar保护的双馈型风电机组结构如图1所示。

图1 双馈型风电机组结构

机组的额定功率为850 kW，额定转速为1 620 r／min，定子额定电压、额定电流、额定功率分别为690 V，699 A，800 kW，转子额定电压、额定电流、额定功率分别为150 V，277 A，50 kW。设备生产厂家给出的G58－850kW机组的风速—功率运行特性设计曲线如图2所示。机组的切入风速为3 m／s，切出风速为21 m／s。当风速大于12 m／s时，机组处于近满载状态。

DFIG正常运行时的数学模型为［9－10］

图2 G58－850kW机组的风速—功率运行特性设计曲线

式中：usd（q）为定子的d（q）轴电压；urd（q）为转子的d（q）轴电压；isd（q）为定子的d（q）轴电流；ird（q）为转子的d（q）轴电流；Rs（r）为定（转）子绕组电阻；ψsd（q）为定子的d（q）轴磁链，ψrd（q）为转子的d（q）轴磁链；Ls（r）为定（转）子绕组自感；Lm为定（转）子绕组d（q）互感；ω1为同步旋转角速度；ωs为转差角速度；Tj为转子转动惯量；Np为极对数；Te和Tm分别为机械转矩、电磁转矩。

3 两机等值仿真模型

以辽宁地区某风电场为研究对象，2台双馈感应风电机组型号均为G58－850kW，通过风电机组出口箱变（升压变）、风电场内集电线路、风电场出口主变、风电场外送线路与220 kV主电网相连，正常运行时各机组均以恒定功率因数cosφ＝1.0运行。该风电场主要设备及送出线路参数如表1所示。场内集电系统（包括风电机组出口升压变、场内各集电系统线路等）电压等级为35 kV。2台双馈型风电机组联网运行系统主接线如图3所示。

表1 风电场主要设备及送出线路参数

4 DFIG两机连锁脱网仿真算例分析

4.1 初始运行条件

运行条件：DFIG1风速V1＝16 m／s，DFIG2风速V2＝13 m／s，2台机组均以单位功率因数运行，转子变流器向电网输出的无功功率为0 Mvar，电网电压U1＝1.05 p.u.。

4.2 仿真扰动条件

图3 DFIG两机仿真系统示意图

电压扰动地点：风电场主变低压侧母线；电压扰动时刻：t＝0.615 s（为DFIG1转子c相电流达到幅值时刻）；扰动持续时间：80ms；仿真步长：Δt＝10 μs；Crowbar保护动作定值：500 A［3］；Crowbar保护电阻：0.1 Ω；定子接触器动作时间：80ms［11－12］。

4.3 仿真结果

DFIG两机连锁脱网仿真结果如图4所示。

当t＜0.615 s时，DFIG1和DFIG2处于稳态运行。

当t＝0.615 s时，风电场主变母线低压侧发生电压扰动。此时DFIG1转子c相电流瞬时值达到幅值380 A。风电场主变高压侧电压U3由0.991 p.u.突降至0.85 p.u.，引起DFIG1和DFIG2转子电流增大。

当t＝0.615 5 s时，即风电场主变高压侧电压U3陷落后约0.5ms，DFIG1转子c相电流首先达到Crowbar保护动作定值500 A，DFIG1机组Crowbar保护动作。

此后，DFIG1从电网吸收无功功率，使风电场主变高压侧电压U3进一步下降，DFIG 2转子电流进一步增大。

当t＝0.679 5 s时，即DFIG1机组Crowbar保护动作后约64ms，DFIG1从电网吸收无功功率达到0.31 Mvar，风电场主变高压侧电压U3由扰动出现时的0.85 p.u.降低至0.74 p.u.（电压陷落量ΔU＝0.11 p.u.）。此时，DFIG2转子c相电流达到Crowbar保护动作定值500 A，DFIG2机组Crowbar保护动作。

图4 DFIG两机连锁脱网仿真波形

至此，电压扰动出现后约64.5ms，DFIG1和 DFIG2的Crowbar保护均已动作。连锁脱网已经开始。

此后，DFIG2从电网吸收无功功率，使风电场主变高压侧电压U3进一步下降。

当t＝0.695 5 s时，即DFIG1机组Crowbar保护动作后80ms、DFIG2机组Crowbar保护动作后16ms时，DFIG2从电网吸收无功功率达到0.025 Mvar，风电场主变高压侧电压U3由0.74 p.u.降至0.72 p.u.（该值为连锁脱网过程中U2的最低值）。此时，DFIG1定子接触器动作，将DFIG1定子绕组从电网切除。DFIG1定子绕组切除前，DFIG1吸收无功功率为0.309 Mvar。

DFIG1定子绕组从电网切除后，风电场主变高压侧电压U3开始回升。

当t＝0.759 5 s时，即DFIG2机组Crowbar保护动作后80ms，风电场主变高压侧电压U3由0.72 p.u.回升至0.89 p.u.。此时，DFIG2定子接触器动作，将DFIG2定子绕组从电网切除。

DFIG2定子绕组从电网切除后，风电场主变高压侧电压U3由0.89 p.u.回升至1.015 p.u.。

综上，当风电场主变低压侧出现电压扰动，使风电场主变高压侧电压由扰动前的0.991 p.u.变至0.85 p.u.，距电压扰动出现后约144.5ms，DFIG1和DFIG2由于连锁原因导致二者脱网。

5 结束语

大规模风电机组连锁脱网是电网安全运行所面临的又一新挑战。本文从双馈感应风电机组的运行特性角度搭建两机仿真系统的风电场等值模型。忽略风电场内部机组之间的影响，通过仿真模拟风电机组间的连锁脱网事故，更加准确地揭示了连锁脱网机理。

［1］李常信，常福刚，孙 刚，等.东北电网应对大规模新能源接入运行管理机制研究［J］.东北电力技术，2014，35（5）：5－8.

［2］杨佳俊，雷 宇.考虑风电接入的电力系统经济调度研究综述［J］.东北电力技术，2014，35（2）：16－20.

［3］崔 杨，严干贵，孟 磊，等.双馈感应风电机组异常脱网及其无功需求分析［J］.电网技术，2011，35（1）：158－163.

［4］李 丹，贾 琳，许晓菲，等.风电机组脱网原因及对策分析［J］.电力系统自动化，2011，35（22）：41－44.

［5］何世恩，董新洲.大规模风电机组脱网原因分析及对策［J］.电力系统保护与控制，2012，40（1）：131－137，144.

［6］穆 钢，王 健，严干贵，等.双馈型风电机群近满载工况下连锁脱网事件分析［J］.电力系统自动化，2011，35（22）：35－40.

［7］叶 希，鲁宗相，乔 颖，等.大规模风电机组连锁脱网事故机理初探［J］.电力系统自动化，2012，36（8）：11－17.

［8］Morren J，Haan S W H.Short－circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator［J］.IEEE Trans.on Energy Conversion，2007，22（1）：174－180.

［9］＇Yang Shuying，Zhang Xing，Zhang Chongwei，et al.Electromagnetic transition of doubly fed wind turbines initiated by voltage dip［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（19）：85－91（in Chinese）.

［10］程孟增，窦真兰，张建文，等.电压跌落时带有Crowbar电路的双馈感应发电机的瞬态分析［J］.电网与清洁能源，2012，28（5）：54－60.

［11］严干贵，王茂春，穆 钢，等.双馈异步风力发电机组联网运行建模及其无功静态调节能力研究［J］.电工技术学报，2008，23（7）：98－104.

［12］王晓波，严干贵，郑太一，等.双馈感应风电机组联网运行仿真及实证分析［J］.电力系统自动化，2008，32（7）：87－91.

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

黄 寻（1979—），男，学士，工程师，主要从事电网调控运行工作。

2016－03－09）