風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)機(jī)理與低電壓穿越能力研究

向昌明 ，范立新，蔣一泉 ，顧天畏，顧 偉

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)風(fēng)電的容量持續(xù)快速增長，在電網(wǎng)故障下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響開始集中出現(xiàn)。其中，低電壓穿越能力 LVRT（Low Voltage Ride Through）越來越受到關(guān)注，已逐漸成為并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的必備功能之一［1-2］。多個(gè)國家的風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則都對風(fēng)電場提出了風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越能力的技術(shù)要求：在規(guī)定的故障及外部電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)電場能保證在一定時(shí)間范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行而成功穿越低電壓故障，甚至要求風(fēng)電場在電網(wǎng)故障發(fā)生后提供一定的無功功率以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)［3］。近年來，我國西北、華北地區(qū)風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)事故頻發(fā)，大都是由于風(fēng)電機(jī)組抵御電網(wǎng)電壓擾動(dòng)能力較差，不具備低電壓穿越能力所造成的，這反映出了目前國內(nèi)風(fēng)電場在低電壓穿越方面存在的諸多問題［4］。為了保證接入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組符合并網(wǎng)規(guī)定，對現(xiàn)役風(fēng)電場進(jìn)行低電壓穿越能力測試仿真評估已成為一項(xiàng)重要而迫切的任務(wù)。

基于雙饋感應(yīng)電機(jī)DFIG（Doubly Fed Induction Generator）的變速風(fēng)電機(jī)組是目前風(fēng)電市場的主流機(jī)型，具有變速恒頻運(yùn)行的特性，風(fēng)能利用系數(shù)高；能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功、無功的解耦控制，改善風(fēng)電場的功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性［5-7］。但由于DFIG定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組機(jī)端電壓跌落。為維持定子磁鏈不變，定子側(cè)電流迅速增加，并在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的轉(zhuǎn)子過電流［8］。另外，電壓降低會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，引起風(fēng)電機(jī)組超速，影響風(fēng)電場的安全運(yùn)行。為限制轉(zhuǎn)子過壓過流和直流過電壓，防止損壞機(jī)組和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，在不太嚴(yán)重的電網(wǎng)故障下，可優(yōu)先通過改進(jìn)變換器控制策略增強(qiáng)DFIG低電壓穿越能力［8-9］。對于嚴(yán)重的電網(wǎng)故障，則需要增加附加轉(zhuǎn)子撬棒硬件保護(hù)電路為過電流提供流通回路［10］。

在風(fēng)電場仿真分析時(shí)，一般認(rèn)為一個(gè)風(fēng)電場內(nèi)部各臺風(fēng)機(jī)之間的電氣聯(lián)系緊密，在系統(tǒng)大擾動(dòng)故障情況下，各臺風(fēng)機(jī)的反應(yīng)相似［11-12］。因此常把風(fēng)電場看作是一個(gè)等效的整體來簡化計(jì)算過程，對于結(jié)論也并不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。然而，在研究風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)機(jī)的動(dòng)作特性時(shí)，風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行特性與仿真結(jié)果均表明，在電壓跌落的擾動(dòng)中，風(fēng)電場內(nèi)部的所有風(fēng)機(jī)由于感受到的短路阻抗不同，并不總是體現(xiàn)出相似的運(yùn)行特性［11］。對于一些布置較為極端的風(fēng)電場，內(nèi)部的風(fēng)機(jī)甚至?xí)嬖诿黠@的差異性。目前，國內(nèi)還很少有文獻(xiàn)對此做出具體的研究分析。

本文為了表征出大規(guī)模風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重的短路故障下表現(xiàn)出的不同故障反應(yīng)特性，在DIgSILENT/Power Factory中對接入實(shí)際電力系統(tǒng)的整個(gè)風(fēng)電場進(jìn)行詳細(xì)建模，模型計(jì)及了風(fēng)電場內(nèi)部的集電線路損耗，且每臺風(fēng)機(jī)均包括獨(dú)立的原動(dòng)機(jī)模型（風(fēng)速模型、氣動(dòng)模型、機(jī)械模型、槳距控制模型）、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模型和網(wǎng)側(cè)變換器控制模型［13］。在此基礎(chǔ)上對整個(gè)風(fēng)電場的低電壓穿越能力進(jìn)行模擬仿真，分析了在不同的電壓跌落下風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性，計(jì)算并確定整個(gè)風(fēng)電場是否滿足低電壓穿越要求，并提出了相應(yīng)的改善措施。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子撬棒保護(hù)模型

DFIG的轉(zhuǎn)子撬棒保護(hù)如圖1所示，在低電壓過程中用于保護(hù)變換器不被轉(zhuǎn)子過電流所損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的保護(hù)定值時(shí)，撬棒保護(hù)被觸發(fā)，立即將轉(zhuǎn)子繞組短接，電機(jī)中感應(yīng)的過電流通過轉(zhuǎn)子短路器的旁路流通，而不再流過變換器，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器同時(shí)閉鎖。在整個(gè)保護(hù)過程中，雙饋風(fēng)電機(jī)組將失去控制能力，整個(gè)DFIG工作在異步運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，這將進(jìn)一步促使機(jī)端電壓下降，惡化電網(wǎng)故障恢復(fù)能力［14-15］。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DFIG unit

1.2 風(fēng)電場低電壓穿越能力

圖2所示為中國風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越要求［16］。圖中，U表示風(fēng)電場變電站高壓側(cè)電壓，為標(biāo)幺值；t表示時(shí)間，單位為s。風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線以下時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。

圖2 中國風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越要求Fig.2 LVRT requirement for wind turbine in China

中國規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越要求具體如下。

a.在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后對風(fēng)電機(jī)組有功功率恢復(fù)的要求。對故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在故障切除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開始，以至少每秒10%額定功率的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

b.在電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)電機(jī)組的無功功率支撐能力的要求。假設(shè)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，進(jìn)而引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落，如果其在額定電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，要求風(fēng)電場具備無功支撐能力以輔助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。具體要求是從并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落出現(xiàn)為起始點(diǎn)，風(fēng)電場提供的無功支撐響應(yīng)時(shí)間要≤75 ms，并能至少持續(xù)550 ms。

2 基于DIgSILENT的風(fēng)電場低電壓穿越仿真

算例系統(tǒng)為某個(gè)接入無窮大系統(tǒng)的實(shí)際風(fēng)力發(fā)電場，所涉及的模型及參數(shù)均來自該風(fēng)電場的實(shí)際數(shù)據(jù)。該風(fēng)電場如圖3所示，布置105臺1.5 MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組，一期工程58.5MW，二期工程43.5MW，三期工程55.5 MW。風(fēng)電場配備3臺額定容量為50 MV·A的主變，每臺風(fēng)電機(jī)組均配備額定容量為1.6 MV·A的箱變。風(fēng)電場集電線路11回，采用LGJF型架空線路與YJY23-26/35 kV電纜混合線路。

圖3 風(fēng)電場電氣接線圖Fig.3 Electrical wiring diagram of wind farm

在DIgSILENT中建立風(fēng)電場詳細(xì)模型，風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)控制的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組，定子出口額定電壓為690 V，電機(jī)參數(shù)為：rs=0.002 3 p.u.，xs=0.021p.u.，xm=1.108p.u.，rr=0.0023p.u.，xr=0.021 p.u.。

風(fēng)電機(jī)組的慣量為：HT=4.02 s，HG=1.07 s，軸系的剛度系數(shù)Ks=80.27（N·m）/rad，等效的阻尼系數(shù)D=1.5 （N·m·s）/rad。撬棒保護(hù)旁路電阻 Rcb=0.1 p.u.，投入門檻電流 icb=1.5p.u.，投入時(shí)間 tbybass=60 ms。在暫態(tài)電壓波動(dòng)的過程中，認(rèn)為風(fēng)速是恒定的，且忽略尾流效應(yīng)各風(fēng)電機(jī)組均取額定風(fēng)速12 m/s，運(yùn)行在大功率輸出（P＞90%×PN）范圍內(nèi)。

2.1 風(fēng)電場側(cè)故障仿真

風(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組的低電壓保護(hù)整定均按照圖2所示曲線要求，即每臺風(fēng)機(jī)均具備了低電壓穿越能力，對該情況下的風(fēng)電場進(jìn)行低電壓穿越的仿真。

2.1.1 故障1（故障深度0.5 p.u.，持續(xù)時(shí)間1.212 s）

取嚴(yán)重情況下的風(fēng)電場側(cè)故障，假定主變壓器高壓側(cè)母線在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，設(shè)置短路接地阻抗Z=0.2+j2.1 p.u.，PCC電壓跌落到其額定值的50%，t=1.212 s時(shí)短路故障消除。對風(fēng)電場中的1～105號機(jī)組進(jìn)行測量，觀察其機(jī)械和電氣參數(shù)的變化。

該風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓（標(biāo)幺值）、轉(zhuǎn)子電流（標(biāo)幺值）、有功功率和無功功率出力曲線如圖4所示。各風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓（見圖4（a））跌落到其額定值的62.3%～71.6%不等，根據(jù)檢測波形的大概形狀可對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分類歸并。結(jié)合風(fēng)電場內(nèi)部各機(jī)組具體的接線長度和分布可發(fā)現(xiàn)，各機(jī)組機(jī)端電壓主要取決于離故障點(diǎn)的電氣距離。

如圖4（b）所示，各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流在電壓跌落瞬間和恢復(fù)瞬間迅速增加達(dá)到其正常運(yùn)行時(shí)的2～3倍，轉(zhuǎn)子過流的程度與電網(wǎng)故障情況、故障地點(diǎn)離風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)近有密切關(guān)系。該故障中雖然轉(zhuǎn)子電流在0 s時(shí)刻超過了保護(hù)電流整定值1.5 p.u.，但由于沖擊電流時(shí)間太短（小于轉(zhuǎn)子撬棒電路投入的判定時(shí)間0.001 s），未達(dá)到的電流保護(hù)整定的觸發(fā)條件，不需要將撬棒電路投入將轉(zhuǎn)子繞組短接。

如圖4（c）所示，在故障期間，當(dāng)DFIG端電壓降低時(shí)，定子側(cè)的有功功率輸出能力會(huì)大幅下降，基本與電網(wǎng)電壓的跌落深度成比例關(guān)系。如圖4（d）所示，電網(wǎng)電壓跌落后，無功功率輸出相對給定的無功功率有所增加，在故障期間提供無功功率支撐，只是在電網(wǎng)電壓跌落瞬間和恢復(fù)瞬間出現(xiàn)了波動(dòng)。

圖4 風(fēng)電場各機(jī)組機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流、有功功率和無功功率變化曲線Fig.4 Variation curves of stator voltage，rotor current，active power and reactive power of different units

由于該風(fēng)電場屬于狹長型風(fēng)電場，場內(nèi)的所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況差異較大。圖5為風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組均運(yùn)行在大工況（P＞0.9PN）下的潮流計(jì)算，繪制的各機(jī)組機(jī)端電壓隨線路長度的變化曲線，其中1期39臺風(fēng)機(jī)以A#1塔為參考點(diǎn)，2期、3期66臺風(fēng)機(jī)以另一座A#1塔為參考點(diǎn)?？梢姡话愀骷娋€路上的風(fēng)機(jī)具有相似的電壓水平，而位于風(fēng)電場越末端的風(fēng)機(jī)往往具有更高的電壓水平，如22號風(fēng)機(jī)電壓為0.978 p.u.，而105號風(fēng)機(jī)電壓為1.049 p.u.。在故障期間，具有同樣的規(guī)律，取本故障電壓跌落最嚴(yán)重的0.1 s時(shí)刻，繪制各風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓分布圖如圖6所示?？梢?，離短路點(diǎn)越近的風(fēng)機(jī)面對的電壓跌落越嚴(yán)重。

圖5 潮流計(jì)算各風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓分布圖Fig.5 Stator voltage distribution of different units by load flow calculation

圖6 0.1 s時(shí)間斷面上各風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓分布圖Fig.6 Stator voltage distribution of different units at 0.1 s

1號風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）、槳距角、吸收風(fēng)能功率（標(biāo)幺值）和風(fēng)速曲線如圖7所示?？梢姡捎诠收虾髾C(jī)端電壓降低，風(fēng)電機(jī)組送出的有功功率大幅下降，若風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率保持不變，機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子加速，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保護(hù)動(dòng)作，將風(fēng)電機(jī)組切除。因此在低電壓持續(xù)過程中需通過槳距角控制來配合降低風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，從源頭上減少風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能。DIgSILENT中槳距角控制框圖如圖8所示，輸入信號為實(shí)際發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與故障情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值的偏差，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速超出其參考值時(shí)，槳距角控制開始動(dòng)作，以降低風(fēng)能捕獲系數(shù)和風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

圖7 1號風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、槳距角、吸收風(fēng)能功率和風(fēng)速Fig.7 Rotor speed，pitch angle，wind power and wind speed of unit 1

圖8 DIgSILENT中的槳距角控制模塊Fig.8 Pitch angle control module in DIgSILENT

2.1.2 故障2（故障深度0.2 p.u.，持續(xù)時(shí)間0.625 s）

假定并網(wǎng)點(diǎn)在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，設(shè)置短路接地阻抗Z=0.05+j0.54 p.u.，t=0.625 s時(shí)短路故障消除?？疾祜L(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組均具有低電壓穿越能力時(shí)各風(fēng)機(jī)的電壓跌落曲線。如圖9所示，各機(jī)組機(jī)端電壓呈現(xiàn)出差異較大的不同特性，可見對故障的反應(yīng)具有較大的區(qū)別。

故障發(fā)生后，在 0.006 s時(shí)刻，15～26、40～75、79～83號機(jī)組轉(zhuǎn)子電流超過預(yù)先設(shè)定的保護(hù)定值，撬棒保護(hù)動(dòng)作將轉(zhuǎn)子繞組短接，進(jìn)入異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。隨后，各達(dá)到電壓0.2 p.u.下限的風(fēng)機(jī)低電壓保護(hù)啟動(dòng)，定子并網(wǎng)接觸器相繼動(dòng)作，脫網(wǎng)時(shí)序見表1。

圖9 各風(fēng)電機(jī)組電壓跌落曲線Fig.9 Voltage drop curve of different units

表1 風(fēng)電場風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)時(shí)序Tab.1 Wind turbine trip-off sequence of wind farm

從風(fēng)電場脫網(wǎng)時(shí)序可以看出，離短路點(diǎn)電氣距離越近的風(fēng)機(jī)越早脫網(wǎng)，且每條集電線路按照由近到遠(yuǎn)的過程連鎖脫網(wǎng)。最終在該故障下，有53臺風(fēng)機(jī)由于低電壓切除運(yùn)行。如圖10所示，位于風(fēng)電場脫網(wǎng)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)將會(huì)無法穿越低電壓故障。在PCC故障電壓為0.2 p.u.時(shí)，虛線區(qū)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)在低電壓期間將會(huì)無法穿越故障；在PCC故障電壓為0.179 p.u.時(shí)，點(diǎn)劃線區(qū)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)在低電壓期間將會(huì)無法穿越故障；在PCC故障電壓為0.127 p.u.時(shí)，風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)均無法穿越故障。可見，即使風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)均具有低電壓穿越能力，風(fēng)電場仍會(huì)出現(xiàn)部分風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的情況。這是由于風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)的布局不同，單臺風(fēng)機(jī)具有不同的特性且風(fēng)機(jī)之間存在相互的影響造成的，因而對同一故障感受到的嚴(yán)重程度并不相同。

圖10 風(fēng)電場脫網(wǎng)域示意圖Fig.10 Trip-off area of wind farm for different voltage sags

2.1.3 故障3（故障深度0.7 p.u.，持續(xù)時(shí)間2 s）

假定并網(wǎng)點(diǎn)在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，設(shè)置短路接地阻抗Z=0.2+j4.7 p.u.，t=2 s時(shí)短路故障消除，考察故障持續(xù)時(shí)間較長情況下各風(fēng)機(jī)的電壓跌落曲線。如表2所示，風(fēng)電場內(nèi)所有機(jī)組在140 ms內(nèi)相繼脫網(wǎng)，由于故障瞬間電壓下降速率不是很大，全過程所有機(jī)組并未涉及撬棒保護(hù)動(dòng)作。

表2 風(fēng)電場風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)時(shí)序Tab.2 Wind turbine trip-off sequence of wind farm

如圖11所示，在1.7669 s，由于風(fēng)電場母線近端8臺機(jī)組（①）電壓水平最低，首先達(dá)到圖2所示低電壓輪廓線以下，從電網(wǎng)切除，并在脫網(wǎng)時(shí)刻引發(fā)剩余機(jī)組電壓再次下降。在1.7844 s，10臺機(jī)組（②）運(yùn)行至低電壓輪廓線以下，從電網(wǎng)切除，且在脫網(wǎng)時(shí)刻引發(fā)剩余機(jī)組電壓再次下降。依此類推，至1.9074 s風(fēng)電場所有機(jī)組全面崩潰。可見風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)之間存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，當(dāng)某群機(jī)組脫網(wǎng)后會(huì)交互影響剩余的機(jī)組電壓再次惡化，從而誘發(fā)更多的機(jī)組從風(fēng)電場脫離。

圖11 各風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)時(shí)序示意圖Fig.11 Schematic diagram of wind turbine trip-off sequence

2.2 風(fēng)電場含部分無穿越能力的風(fēng)電機(jī)組情況仿真

若風(fēng)電場某線14臺風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力，考察風(fēng)電場含部分無穿越能力風(fēng)機(jī)對整個(gè)風(fēng)電場的影響。假定并網(wǎng)點(diǎn)在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路，故障深度0.24 p.u.，持續(xù)時(shí)間0.625 s。

如圖12所示，在同樣的故障情況下，由于56～62、40～46號的風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力，電壓過低導(dǎo)致提前跳閘切除，導(dǎo)致風(fēng)電場65～67、71～75號機(jī)組從風(fēng)電場脫網(wǎng)。其脫網(wǎng)的原因演化過程如下：電壓第一次下降，由于短路故障導(dǎo)致機(jī)組機(jī)端電壓降落；電壓第二次下降，在0.003 s時(shí)刻，部分無低電壓能力的風(fēng)機(jī)提前跳閘切除，場內(nèi)集電線路送出的功率減小，集電線路上風(fēng)機(jī)與母線之間的電壓降落變小，由于場內(nèi)風(fēng)機(jī)電壓均高于母線電壓，從而惡化剩余機(jī)組機(jī)端電壓進(jìn)一步下降；電壓第三次下降，在0.006 s時(shí)刻，撬棒保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)入異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)吸收大量無功功率促使電壓進(jìn)一步下降。最終在0.024 s時(shí)刻，從風(fēng)電場切除運(yùn)行。

圖12 各風(fēng)電機(jī)組電壓跌落曲線1Fig.12 Voltage drop curve 1 for different units

3 改善風(fēng)電場低電壓穿越能力的措施

假定并網(wǎng)點(diǎn)在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，設(shè)置短路接地阻抗Z=0.07+j0.72 p.u.，PCC電壓跌落到其額定值的25%，t=0.625 s時(shí)短路故障消除。如圖13所示，為風(fēng)電場無撬棒保護(hù)與裝設(shè)有撬棒保護(hù)2種情況下各風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓曲線。在配置有撬棒保護(hù)時(shí)，由于65～67、71～75號機(jī)組轉(zhuǎn)子電流超出1.5倍轉(zhuǎn)子額定電流，0.006 s時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作將轉(zhuǎn)子繞組短接。整個(gè)DFIG切入普通異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，進(jìn)一步惡化了電壓的下降。從曲線下陷的深度可發(fā)現(xiàn)，撬棒保護(hù)投入很大程度地加大了風(fēng)電場某些機(jī)組脫網(wǎng)的可能性。

圖13 各風(fēng)電機(jī)組電壓跌落曲線2Fig.13 Voltage drop curve 2 for different units

3.1 提高轉(zhuǎn)子電流保護(hù)整定值

為了降低撬棒保護(hù)對電流的敏感，減少動(dòng)作次數(shù)，可以在保證轉(zhuǎn)子側(cè)變換器安全的條件下，適當(dāng)提高撬棒保護(hù)觸發(fā)電流定值，這可以增強(qiáng)風(fēng)電場的低電壓穿越能力。假定并網(wǎng)點(diǎn)在t=0 s時(shí)刻發(fā)生三相短路，故障深度0.2 p.u.，持續(xù)時(shí)間0.625 s。考察風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)觸發(fā)電流限值icb=1.5 p.u.與icb=2.0 p.u.的2種情況。這2種情況下撬棒保護(hù)超過電流定值的判定時(shí)間均為0.001 s，保護(hù)電路均在固定的60 ms后自動(dòng)切除。

如圖 14 所示，當(dāng) icb=1.5 p.u.時(shí)，63～69、71～75號機(jī)組轉(zhuǎn)子電流超出1.5倍轉(zhuǎn)子額定電流，在0.006 s時(shí)刻其撬棒保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致其機(jī)端電壓下降，在0.021 s時(shí)刻風(fēng)機(jī)低電壓保護(hù)啟動(dòng)，該12臺風(fēng)機(jī)均從風(fēng)電場脫網(wǎng)。在將icb提高到2.0 p.u.后，風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組無撬棒保護(hù)動(dòng)作，全部成功穿越故障，低電壓穿越能力明顯得到了提高。

圖14 各風(fēng)電機(jī)組電壓跌落曲線3Fig.14 Voltage drop curve 3 for different units

3.2 網(wǎng)側(cè)變換器作無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行

在正常工作情況下，網(wǎng)側(cè)變換器運(yùn)行在單位功率因數(shù)下盡可能為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供有功功率。在一般普通故障下，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器未被短路時(shí)，可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器進(jìn)行無功控制，修改轉(zhuǎn)子側(cè)變換器無功功率給定值Q*r-ref，為電網(wǎng)電壓提供支持。在嚴(yán)重電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器由于被撬棒保護(hù)裝置短路失去控制能力，DFIG切入異步運(yùn)行狀態(tài)，并從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，進(jìn)一步惡化了系統(tǒng)電壓的恢復(fù)能力。而此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器并沒有被阻斷，完全可以工作在STATCOM狀態(tài)來產(chǎn)生盡可能多的無功功率為電網(wǎng)電壓提供支撐。因此，在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被短路期間，可以通過將網(wǎng)側(cè)變換器從正常的零無功控制模式切換到電壓控制模式，修改網(wǎng)側(cè)變換器無功功率給定值來提高電網(wǎng)轉(zhuǎn)子短路時(shí)DFIG的無功支撐能力。當(dāng)故障清除，電壓重建后，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器再重新啟動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組回到正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 配置一定容量的無功補(bǔ)償裝置

為了提高風(fēng)電場低電壓穿越能力，改善電網(wǎng)故障恢復(fù)能力，可加裝SVG、SVC等補(bǔ)償裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。在本模型風(fēng)電場35 kVⅡ段母線側(cè)配置SVC無功補(bǔ)償裝置，其中TCR支路47 Mvar、FC支路47 Mvar（按整個(gè)風(fēng)電場裝機(jī)容量的30%補(bǔ)償）。在故障深度0.7 p.u.、持續(xù)時(shí)間1.8 s下進(jìn)行仿真比較。如圖15所示，風(fēng)電場無SVC裝置下共49臺風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，配置SVC改善風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性后，共21臺風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，風(fēng)電場低電壓穿越能力得到了有效的改善。可見，配置的SVC能夠根據(jù)風(fēng)電場電壓水平變化提供動(dòng)態(tài)的無功支持（如圖16所示），幫助風(fēng)電機(jī)組故障后恢復(fù)機(jī)端電壓。但是由于SVC裝置的補(bǔ)償能力受機(jī)端電壓影響比較大，在外部電網(wǎng)電壓偏低時(shí)，補(bǔ)償效果相對于額定電壓時(shí)有所下降。在電壓重建期間，無功功率支撐能力逐漸變強(qiáng)，有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

圖15 各風(fēng)電機(jī)組電壓跌落曲線4Fig.15 Voltage drop curve 4 for different units

圖16 SVC的無功特性曲線Fig.16 Reactive power characteristic curve of SVC

4 結(jié)論

本文在風(fēng)電場低電壓穿越測試數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于DIgSILENT對大規(guī)模風(fēng)電場詳細(xì)建模。對整個(gè)風(fēng)電場的低電壓特性進(jìn)行詳細(xì)描述，計(jì)算確定整個(gè)風(fēng)電場低電壓穿越能力。在風(fēng)電場布置圖上，以直觀的區(qū)域簡單劃分出電壓跌落對風(fēng)電場范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的影響程度。分析得到如下結(jié)論。

a.在低電壓期間，風(fēng)電場內(nèi)部各機(jī)組運(yùn)行狀況存在不同程度的差異性，機(jī)端電壓主要取決于與短路點(diǎn)間的電氣距離，因此各風(fēng)機(jī)對同一故障感受到的嚴(yán)重程度并不相同，且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子過流程度也與電網(wǎng)故障情況、故障地點(diǎn)離風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)近有密切關(guān)系。

b.風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)之間存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，脫網(wǎng)時(shí)序按照每條集電線路由近到遠(yuǎn)的過程連鎖脫網(wǎng)。某群機(jī)組脫網(wǎng)后，會(huì)交互影響剩余的機(jī)組電壓再次惡化，從而誘發(fā)更多的機(jī)組從風(fēng)電場脫離。

c.在條件允許情況下，適當(dāng)提高撬棒保護(hù)整定值，網(wǎng)側(cè)變換器靈活運(yùn)行和采用SVC等裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償均有利于提高風(fēng)電場低電壓穿越能力。