靜止無功發(fā)生器在風(fēng)電場電網(wǎng)故障時作用的研究

王興貴，宋磊，鄭偉，拜潤卿

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050）

靜止無功發(fā)生器在風(fēng)電場電網(wǎng)故障時作用的研究

王興貴1，宋磊1，鄭偉2，拜潤卿2

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050）

Project Supported by the Natural Science Foundation of Gansu Province（1014RJZA031）.

風(fēng)能作為目前最具大規(guī)模開發(fā)利用前景的新能源，日益受到世界各國的重視。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在整個電網(wǎng)中所占比重的不斷增大，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響也越來越突出[1-4]。酒泉風(fēng)電基地作為我國第一個開工建設(shè)的千萬千瓦級風(fēng)電基地，截至2011年年底，并網(wǎng)風(fēng)電達(dá)5881M W，此外還有二期3000M W風(fēng)電項(xiàng)目待開工建設(shè)，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響日益凸顯[5]。

為了研究在電網(wǎng)故障狀態(tài)下采用DFIG風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，本文首先對DFIG在電網(wǎng)電壓跌落時的暫態(tài)過程進(jìn)行了分析，并通過人工接地短路試驗(yàn)測試了在電網(wǎng)電壓跌落時風(fēng)電場升壓站內(nèi)110kV母線電壓和風(fēng)機(jī)出口電壓、電流的故障波形。針對DFIG在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越過程中存在的問題，研究了SVG在風(fēng)電場故障時的作用[6]，對SVG在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時為風(fēng)電場提供無功支撐能力進(jìn)行了仿真，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對仿真的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 DFIG在電網(wǎng)電壓跌落時的暫態(tài)過程分析

對于具備低電壓穿越能力的DFIG，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，采用定子磁鏈定向控制，將定子磁鏈定向在軸上，且忽略定子繞組壓降和定子電阻。雙饋異步電機(jī)的定子磁鏈在電壓跌落發(fā)生前穩(wěn)態(tài)情況下的矢量表達(dá)式如公式（1）所示，在電壓跌落的動態(tài)過程中的表達(dá)式如公式（2）所示[7]：式中，準(zhǔn)s1為電壓跌落發(fā)生前的穩(wěn)態(tài)定子磁鏈；準(zhǔn)s2為包含動態(tài)過程的定子磁鏈；Us1、Us2分別為電壓跌落發(fā)生前和發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)定子電壓模值；t0為電壓跌落發(fā)生時刻。

在定子參考坐標(biāo)系下，考慮定子三相短路的極端情況，轉(zhuǎn)子電流的變化主要由定子短路造成，轉(zhuǎn)子電流可由公式（3）表示如下

2 電網(wǎng)短路故障狀態(tài)下DFIG暫態(tài)過程的試驗(yàn)驗(yàn)證

2010年新疆電網(wǎng)與西北電網(wǎng)通過雙回750kV線路聯(lián)網(wǎng)成功，在聯(lián)網(wǎng)過程中進(jìn)行一系列的調(diào)試與測試試驗(yàn)。由于試驗(yàn)地點(diǎn)臨近風(fēng)電基地，而風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)電壓擾動又非常敏感，容易因主網(wǎng)電壓瞬時跌落造成大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組切機(jī)，帶來系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、電壓恢復(fù)等一系列的問題。因此，特選擇試驗(yàn)地點(diǎn)附近的3個風(fēng)電場，對其在主網(wǎng)發(fā)生擾動情況下的運(yùn)行特性及低電壓穿越能力進(jìn)行測試。通過監(jiān)測風(fēng)電場與主網(wǎng)連接點(diǎn)及單臺風(fēng)機(jī)出口處的電壓、電流等特征量的變化，量化分析主網(wǎng)擾動對風(fēng)電場運(yùn)行狀況的影響。本文主要分析了在進(jìn)行750kV線路雙回運(yùn)行單相接地短路試驗(yàn)時某風(fēng)電場升壓站內(nèi)110kV母線電壓故障的波形，并測試了一臺DFIG在故障狀況下風(fēng)機(jī)出口電壓和電流的波形。

從現(xiàn)場所測的故障波形可以看出：當(dāng)750kV線路雙回運(yùn)行發(fā)生單相接地短路故障時，與風(fēng)電場相連的升壓站內(nèi)110kV母線相電壓有效值由故障前的95kV跌至故障時的55kV，DFIG出口線電壓由正常時的690V跌至故障時的325.6V，故障時A相電流有較大幅度上升。

圖1 110kV母線相電壓波形Fig.1 The waveform of 110kV bus phase voltage

圖2 風(fēng)機(jī)出口線電壓、相電流波形Fig.2 Line voltage,phase current waveforms of a wind turbine feeder

3 應(yīng)用SVG提高DFIG在電網(wǎng)電壓跌落時低電壓穿越的能力

3.1 SVG在電網(wǎng)故障狀態(tài)下對風(fēng)電場作用的仿真研究

為了驗(yàn)證SVG在電網(wǎng)故障時對風(fēng)電場的作用，在MATLAB/Simulink中搭建了系統(tǒng)的仿真模型，并仿真了SVG投入前后風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)35kV母線A相電壓和風(fēng)機(jī)出口相電壓的變化情況。

仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如下：風(fēng)機(jī)采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，出口電壓為690V，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力首先經(jīng)過箱式變壓器升壓至35kV后送往風(fēng)電場升壓站，經(jīng)升壓站主變將電壓升高到330kV后送往系統(tǒng)。SVG經(jīng)降壓變壓器并聯(lián)于升壓站內(nèi)低壓側(cè)，故障點(diǎn)設(shè)在330kV母線側(cè)，為三相接地短路。

圖4、圖6是風(fēng)電場升壓站內(nèi)高壓側(cè)330kV母線發(fā)生三相接地短路故障之后，SVG未投入時升壓站內(nèi)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)35kV母線側(cè)A相電壓和風(fēng)機(jī)出口A相電壓波形。從仿真波形可以看出：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相接地短路故障后，會引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)35kV母線電壓有較大幅度下跌，35kV母線A相電壓的峰值跌落至5000V左右，且在故障恢復(fù)過程中會出現(xiàn)較大的過電壓。風(fēng)機(jī)出口的A相電壓的峰值跌落至100V左右，低于風(fēng)機(jī)低電壓穿越曲線規(guī)定的20%。根據(jù)《大型風(fēng)電場并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》[8]，此時風(fēng)機(jī)可以切除。圖5、7為SVG投入后升壓站內(nèi)35kV母線側(cè)A相電壓和風(fēng)機(jī)出口A相電壓波形，從仿真的結(jié)果可以看出：SVG投入之后，可以使35kV母線A相電壓提高到14000V左右，且對在故障恢復(fù)過程中出現(xiàn)的過電壓也起到了一定的抑制作用。風(fēng)機(jī)出口A相電壓提高到了240V左右，高于正常值的20%，使風(fēng)機(jī)具備了低電壓穿越的能力，從而避免了風(fēng)機(jī)的大規(guī)模脫網(wǎng)[9-11]。

圖4 SVG未投入時升壓站內(nèi)35kV母線A相電壓波形Fig.4 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station before SVG is connected

圖5 SVG投入后升壓站內(nèi)35kV母線A相電壓波形Fig.5 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station after SVG is connected

圖6 SVG未投入時風(fēng)機(jī)出口A相電壓波形Fig.6 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

圖7 SVG投入后風(fēng)機(jī)出口A相電壓波形Fig.7 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

3.2 SVG在電網(wǎng)故障狀態(tài)下對風(fēng)電場作用的試驗(yàn)研究

為了測試SVG在電網(wǎng)電壓跌落時對風(fēng)電場的作用，在酒泉千萬千瓦風(fēng)電基地某大型風(fēng)電場進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)[12]。

試驗(yàn)條件為：斷開SVG端子排上330kV母線P T空氣開關(guān)，模擬了電網(wǎng)電壓跌落，測錄了故障后330kV母線電壓的波形、SVG連接變低壓側(cè)電壓的波形和幅值、SVG的無功電流和無功輸出的波形。

由圖8可知，在10.32s時斷開SVG端子排上330kV母線P T空氣開關(guān)，330kV母線電壓跌至2.24kV。SVG檢測到系統(tǒng)電壓跌落后，經(jīng)過大約20m s延時，達(dá)到最大無功輸出。SVG連接變壓器10kV母線側(cè)電壓幅值由投入前的9.24kV提高到投入后的10.12kV,SVG通過調(diào)整輸出電流的幅值和相位來控制330kV母線側(cè)電壓，從而為風(fēng)電場提供電壓支撐。

圖8 斷開330kV母線PT空氣開關(guān),系統(tǒng)電壓和SVG無功輸出的波形Fig.8 System voltage and SVG reactive power output waveforms with the 330kV bus PT disconnected

4 結(jié)論

研究了電壓跌落時DFIG的暫態(tài)過程，并在進(jìn)行人工接地短路試驗(yàn)時測錄了某風(fēng)電場升壓站內(nèi)110kV母線電壓和風(fēng)機(jī)出口電壓、電流的故障波形。分析了SVG在風(fēng)電場電網(wǎng)故障時的作用，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了SVG在電網(wǎng)故障時可以為風(fēng)電場提供一定的電壓支撐，從而減小電網(wǎng)故障對風(fēng)機(jī)的影響，防止大量風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，進(jìn)而提高了風(fēng)電場電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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Effects of STATCOM on Wind Farm Grid in Fault Conditions

WANG Xing-gui1，SONG Lei1，ZHENG Wei2，BAI Run-qing2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，Gansu，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The paper,analyzes the transient course of the doubly-fed induction generator（DFIG）under fault conditions is analyzed,and tests the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feed-out of the wind turbine through the artificial shortcircuit test,the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feedout of the wind turbine within the are tested.Targeting at the problem of the wind farm under fault conditions,the effects of static var generator（SVG）in improving the low voltage ride through ability are simulated,and the simulation results are verified with the site experiment.

doubly-fed induction generator（DFIG）；transient process；lowvoltageridethrough（LVRT）；staticvargenerator（SVG）摘要：分析了雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）在電網(wǎng)電壓跌落時的暫態(tài)過程，通過人工接地短路試驗(yàn)測試了風(fēng)電場升壓站內(nèi)110kV母線電壓和風(fēng)機(jī)出口處電壓、電流的故障波形。針對風(fēng)電場在故障時存在的問題，對靜止無功發(fā)生器（SVG）在提高DFIG低電壓穿越能力中的作用進(jìn)行了仿真，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對仿真的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

雙饋異步發(fā)電機(jī)；暫態(tài)過程；低電壓穿越；靜止無功發(fā)生器

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（1014RJZA031）。

1674-3814（2012）08-0064-04

TM 614

A

2008-03-29。

王興貴（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍托履茉窗l(fā)電技術(shù)的研究；

宋 磊（1985—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。

（編輯 徐花榮）