并網型異步風電機組的低電壓穿越性能分析

楊志越，李鳳婷

（新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊830047）

風電在我國電網中的比例越來越高，對電網的影響也越來越大。為了維護電網的安全穩(wěn)定運行，新的并網規(guī)程對風電場并網提出了更為嚴格的要求，其中低電壓穿越就是其中的重要指標之一。

隨著各種風電機型的不斷推出以及已建風電場不斷地擴容，出現了在同一個風電場中各種不同類型風電機組同時運行的情況。目前新安裝的直驅式同步風電機組已經達到了國網并網規(guī)程中關于風電機組低電壓穿越的技術要求，但在已建成的風電場中還存在大量較早投產的異步風電機組，這些機組在生產時并沒有考慮到低電壓穿越這一技術要求，因此研究異步風電機組低電壓穿越性能，并給出合理的改進或解決措施使其具備低電壓穿越能力具有非常重要的意義[1，2]。

本文給出了風電機組模型，建立了風電場仿真系統(tǒng)模型，分別仿真了兩種最典型異步風電機組在短路故障后，采取改善措施前后低電壓穿越的性能并進行了對比分析。

1 風電機組的低電壓穿越

低電壓穿越是指風電機組端電壓跌落到某一數值的情況下能夠繼續(xù)維持并網運行，甚至還能夠在故障電網電壓恢復期間向電網提供一定的無功支持以幫助電網電壓恢復正常，從而穿越這個低電壓時間。

目前一些西方國家已經出臺了相關風電機組低電壓穿越的強制性標準，對風電機組低電壓的運行指標提出了具體的標準。不同國家有不同的要求：德國要求電網電壓跌落到15%時持續(xù)300 ms；美國要求風電場電壓跌落至15%額定電壓時能夠維持并網運行625 ms[3，4]。我國在2011年上半年也通過了自己的國家標準即《風電場接入電力系統(tǒng)的技術規(guī)定》，其中要求風電機組必須具有在系統(tǒng)電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行625 ms 的低電壓穿越能力；并在2 s 內電壓跌落能夠恢復到額定電壓90%時風電場必須保持并網運行。

2 異步風電機組的模型

與其它發(fā)電機組不同的是在將風能轉變成電能的過程中風速的大小是隨機變化的，所以異步風電機組模型除了異步發(fā)電機模型外還要包括風速模型。

2.1 風速的模型

目前普遍將風速模型分為基本風、陣風、漸變風和隨機風4 種，作用在風力發(fā)電機上的為四種風速的疊加，其風速模型為

2.2 異步發(fā)電機的模型

異步發(fā)電機組的等效電路如圖1 所示。

圖1 異步風力發(fā)電機組的等效電路Fig.1 Asynchronous wind turbine equivalent circuit

圖1中：XA表示定子電抗，XB表示轉子電抗，XC表示勵磁電抗，Rr表示轉子電阻，U 表示機端電壓。

風電場用異步風電機組采用考慮轉子暫態(tài)的三階機電暫態(tài)模型，其數學模型為

式中：τJ為發(fā)電機轉子慣性時間常數；TE為發(fā)電機的電磁轉矩；TM是發(fā)電機側的機械轉矩；s 為滑差；x′為發(fā)電機暫態(tài)電抗為定子開路時轉子回路的時間常數。

異步風電機組主要包括兩種典型機型：鼠籠式異步風電機組和雙饋式異步風電機組。這兩種異步風電機的總體結構如圖2 和圖3 所示。

圖2 鼠籠式異步風電機組結構Fig.2 Squirrel-cage induction wind turbine structure diagram

圖3 雙饋式異步風電機組結構Fig.3 Doubly fed induction wind turbine structure diagram

3 無功補償裝置（STATCOM）的模型

STATCOM （static synchronous compensator）是基于全控型電力電子器件實現的靜止無功發(fā)生裝置，具有控制特性好、響應速度快、體積小、耗能低等特點，其等效電路如圖4 所示[5]。

圖4 STATCOM 的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of STATCOM

數學模型為

式中：W 為D-Q 坐標系的旋轉角頻率，與三相系統(tǒng)電壓角頻率相同；M 為逆變器調制比；α 為STATCOM輸出電壓和系統(tǒng)電壓之間的相角差；UDC為直流電容電壓；U 為電力系統(tǒng)電壓瞬時值。

4 算例仿真分析

4.1 仿真風電場系統(tǒng)模型簡介

本文算例為風電場接入無窮大系統(tǒng)，其接線圖如圖5 所示。仿真風電場分別由6 臺1.5 MW 的鼠籠式異步風電機組和6 臺1.5 MW 的雙饋式異步風電機組組成。每臺異步風電機出口電壓均為690 V，通過集電變壓器把電壓從690 V 升壓至10 kV，然后通過一條10 km 長的輸電線路連接到風電場的升壓站并將電壓升高至220 kV 最終接入無窮大系統(tǒng)[6]。

圖5 并網風電場的接線圖Fig.5 Wind farm grid connection diagram

為了研究兩種異步風電機組低電壓穿越的性能及改善提高方法本文特設定了兩種情況：采取改善措施前后即在匯流母線機組端加裝無功補償裝置（STATCOM）前后兩種機組的低電壓穿越的情況。

4.2 不同異步風電機組低電壓穿越性能的仿真分析

本文仿真中，以圖5 所示的風電場10 kV 輸電線路距風電機組群5 km 處發(fā)生三相短路故障來模擬的，在仿真中風電機組風速穩(wěn)定在12 m/s，假設輸電線路在t=35 s 時發(fā)生瞬時三相短路，故障發(fā)生0.1 s 后被清除。

4.2.1 未采取改善措施即未在匯流母線機組端加裝無功補償裝置（STATCOM）

兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的各參數的變化情況如圖6 所示。

圖6 兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的各參數變化情況Fig.6 Parameters changes of two kinds of asynchronous wind turbine in the event of an three-phase short circuit fault

由圖6（a）、6（c）和6（e）可知：在發(fā)生嚴重的三相短路故障后鼠籠式異步風電機組的機端電壓迅速降低，后逐漸穩(wěn)定在0.65 p.u.附近；輸出的有功功率也大幅下降直至38 s 后降為零值；發(fā)電機的轉速也不斷上升到38 s 時已接近到1.2 p.u.轉速。

由圖6（b）、6（d）和6（f）可知：在發(fā)生嚴重的三相短路故障后，雙饋式異步風電機組的機端電壓在故障消失后迅速恢復到1 p.u.并維持穩(wěn)定；發(fā)電機輸出的有功功率在故障消失后出現了輕微波動，但隨后則恢復到正常水平；發(fā)電機轉速在故障前后只出現了小幅波動，達到1.224 p.u.轉速的峰值后迅速回落，37.6 s 后轉速也恢復到正常水平。

對比圖6 各參數變化曲線可以得出：鼠籠式異步風電機組低電壓穿越性能很差，不具備低電壓穿越能力；雙饋式異步風電機組在低電壓穿越性能上明顯優(yōu)于鼠籠式異步風電機組。

4.2.2 采取改善措施即在匯流母線機組端加裝無功補償裝置（STATCOM）

兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的各參數的變化情況如圖7 所示。

圖7 采取改善措施后兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的各參數變化情況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

由圖7（a）、7（c）和7（e）可知：加裝無功補償裝置（STATCOM）后，在故障發(fā)生后鼠籠式異步風電機組的機端電壓在小幅波動后迅速恢復正常；輸出的有功功率和發(fā)電機轉速在短暫波動后也逐漸恢復正常，從以上變化曲線反映的情況可知在加裝了無功補償裝置（STATCOM）后鼠籠式異步風電機組具備了低電壓穿越能力并且性能得到了明顯提高。

由圖7（b）、7（d）和7（f）可知：在加裝了無功補償裝置（STATCOM）后雙饋式異步風電機組各項參數的變化與未加時相比得到了進一步改善：故障后機端電壓波動更小，恢復有功出力更快，發(fā)電機的轉速變化也更加平穩(wěn)。

由圖7 各參數變化曲線可以看出在加裝了無功補償裝置（STATCOM）后，兩種異步風電機組的低電壓穿越性能都得到了提高，尤其是鼠籠式異步風電機組低電壓穿越性能提高最為明顯。由此可得：在匯流母線風電機組端加裝了先進的無功補償裝置（STATCOM）后，可以明顯改善異步風電機組的低電壓穿越性能，尤其是鼠籠式異步風電機組提高最為明顯使其具備了低電壓穿越能力。

4 結語

通過仿真對比兩種典型異步風電機組故障后各參數的變化情況，可以得出鼠籠式異步風電機組不具備低電壓穿越能力，其低電壓穿越性能遠差于雙饋式異步風電機組。出現這種情況的主要原因在于鼠籠式異步風電機組在故障發(fā)生后在系統(tǒng)電壓恢復過程中要從電網吸收大量的無功功率以重建發(fā)電機內部磁場，從而進一步降低了機端的出口電壓[7]。而雙饋式異步風電機組在故障消失后重新啟動變換器來控制發(fā)出的有功功率和吸收的無功功率，減小了發(fā)電機機端的電壓降。對于正在并網運行的鼠籠式異步風電機組，為了提高其低電壓穿越性能可以在原有機組不做改動的基礎上在匯流母線機組端加裝先進的無功補償裝置（STATCOM），這樣可以使鼠籠式異步風電機組具備低電壓穿越能力，同樣也可以提高雙饋式異步風電機組的低電壓穿越性能。

[1]邢文琦，晁勤（Xing Wenqi，Chao Qin）.不同風電機組的低電壓穿越能力分析（Analysis of low voltage ridethrough capability for different wind turbines）[J]. 華東電力（East China Electric Power），2008，36（12）：21-25.

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[5]張鋒，晁勤（Zhang Feng，Chao Qin）.STATCOM 改善風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究（Research on improving transient voltage stability of wind farm by STATCOM）[J].電網技術（Power System Technology），2008，32（9）：70-73.

[6]閆廣新，李江，張鋒，等（Yan Guangxin，Li Jiang，Zhang Feng，et al）. 變速雙饋風電機組低電壓穿越功能仿真（Functional simulation for low voltage ride through capability of DFIG for wind turbines）[J]. 電網與清潔能源（Power System and Clean Energy），2009，25（6）：49-52.

[7]張興，張龍云，楊淑英，等（Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al）. 風力發(fā)電低電壓穿越技術綜述（Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：1-8.