風(fēng)電場低電壓穿越和短路電流仿真與分析

雷 鳴，廖大鵬，游大寧，劉 軍

（山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏等發(fā)電成本的下降，可再生能源發(fā)電在電源結(jié)構(gòu)中的占比逐漸提高，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模也在逐漸增長。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)安全運行帶來的影響也是不可忽視的。

在構(gòu)建風(fēng)電場考慮風(fēng)電機組的機型時，雙饋感應(yīng)發(fā)電機成為首選，因為它具備有功和無功功率獨立控制、可變速運行及勵磁變流器容量小等特征［1］。而對于沒有低電壓穿越（LVRT）能力的風(fēng)電機組，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到一定值時，為了保護風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安全，風(fēng)力發(fā)電機組會自動脫網(wǎng)，這在風(fēng)力發(fā)電所占比例不高的電網(wǎng)中是可以接受的，但隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增加，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓和頻率的崩潰，引發(fā)更加嚴(yán)重的電網(wǎng)事故［2］。 隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增加，接入電網(wǎng)的大容量風(fēng)電機組能夠在電網(wǎng)故障下不間斷并網(wǎng)運行對于整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是十分重要的，因此，越來越多的國家在其風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則中明確要求風(fēng)電機組必須具備低電壓穿越能力［3-4］。

本文采用某一地區(qū)的實際電網(wǎng)模型，以某一風(fēng)電場為基礎(chǔ)，運用PSCAD仿真分析軟件，對風(fēng)電場低電壓穿越及其對故障點短路電流的影響進行分析。

1 算例描述

該地區(qū)地處渤海海峽，具有天然的充足的風(fēng)力資源，目前地區(qū)境內(nèi)已有5個風(fēng)電場運行，其中，風(fēng)電場1（27.2 MW）經(jīng)110 kV海底電纜與主網(wǎng)并列，風(fēng)電場2（33.45 MW）則梯次接入110 kV變電站1號主變壓器中低壓側(cè)，為了研究電網(wǎng)故障對風(fēng)電場的影響及風(fēng)機的低電壓穿越特性及其對故障點短路電流的影響，將該地區(qū)所有風(fēng)電場在PSCAD仿真環(huán)境中用1臺風(fēng)機等值，不考慮風(fēng)電場內(nèi)部所造成的損耗，風(fēng)機模型采用雙饋風(fēng)機模型。等值后的系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 仿真模型

2 風(fēng)電場低電壓穿越仿真分析

2.1 穩(wěn)態(tài)情況下風(fēng)電場運行情況

風(fēng)機額定容量為1MW，風(fēng)速設(shè)為11.5m/s，首先，在穩(wěn)態(tài)情況下對風(fēng)電場并網(wǎng)的運行情況進行仿真。

圖2所示為穩(wěn)態(tài)運行情況下，并網(wǎng)線路上的傳輸功率和電壓，可見，在風(fēng)速11.5 m/s時，風(fēng)機輸出有功為1 MW，而由并網(wǎng)線路向系統(tǒng)傳輸?shù)臒o功功率為15 Mvar左右，這是由于電纜的充電功率造成的，電纜發(fā)出的充電功率隨運行電壓在15～18 Mvar之間變化。

圖2 穩(wěn)態(tài)情況下并網(wǎng)線路傳輸功率、電壓波形

圖3為機端有功、無功及電壓曲線，本模型中雙饋風(fēng)機運行功率因數(shù)為1.0，即穩(wěn)態(tài)情況下既不發(fā)出也不吸收無功。機端額定電壓為0.69 kV。

圖4中Ir為雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子電流；S1為Crowbar電路控制信號，1為接入，0為切除；Ecap為變流器直流母線電壓。

2.2 電網(wǎng)故障時風(fēng)機的LVRT特性

在110 kV變電站母線處設(shè)置三相短路故障，故障持續(xù)時間0.4 s。風(fēng)機采用Crowbar保護電路實現(xiàn)低電壓穿越，Crowbar電阻取4 Ω，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)情況下機端有功、無功及電壓波形

圖4 穩(wěn)態(tài)情況下轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓

圖5 Crowbar保護電路模型

仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 三相短路故障時傳輸線功率、電壓波形

圖6中，由于并網(wǎng)線路的電壓跌落100%，電纜充電功率隨運行電壓變化為0，所以故障期間并網(wǎng)線路上的無功功率為零。

圖7 三相短路故障時機端功率、電壓波形

從圖7可以看出，三相短路故障使機端電壓跌落100%，在2.4 s故障切除后，雙饋風(fēng)機從電網(wǎng)吸收無功以恢復(fù)磁鏈。

圖8 三相短路故障時轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓波形

S1為Crowbar保護電路控制信號，通過一個滯環(huán)比較器產(chǎn)生，滯環(huán)比較器的帶寬大小決定著轉(zhuǎn)子變流器電流能否準(zhǔn)確限定在極限值以下，理論上帶寬越小越好，但帶寬太小會使IGBT開關(guān)頻率過高，影響Crowbar電路穩(wěn)定性，本仿真中，設(shè)轉(zhuǎn)子電流大于1 kA時接入保護電路以保護變流器，小于0.5 kA時將保護電路切除并使變流器恢復(fù)導(dǎo)通。

Crowbar電路接入期間，變流器直流母線電壓如圖8所示，Crowbar電路切除后，變流器接入，電容向轉(zhuǎn)子側(cè)變流器放電，直流母線電壓下降。

2.3 Crowbar阻值對LVRT效果的影響

以上三相短路故障分析中，Crowbar阻值為4 Ω，現(xiàn)將其增大為20 Ω進行仿真，所得機端無功與轉(zhuǎn)子電流波形如圖9所示。

圖9 Crowbar電阻20 Ω時機端功率、轉(zhuǎn)子電流波形

對比Crowbar電阻為4 Ω時的轉(zhuǎn)子電流可知，Crowbar阻值增大能夠有效的抑制轉(zhuǎn)子側(cè)的短路電流。

3 LVRT對故障點短路電流的影響

3.1 110 kV母線故障

3.1.1 三相短路故障

當(dāng)風(fēng)機具備低電壓穿越能力時，測得故障點短路電流波形如圖10所示（以A相為例）。

圖10 110 kV母線三相短路故障點短路電流波形

短路電流的最大值在故障發(fā)生后半個周期時出現(xiàn)，由圖10可知，當(dāng)風(fēng)機具備電壓穿越能力時，故障點短路電流最大值為14.98 kA。

若風(fēng)機不具備低電壓穿越能力，故障發(fā)生時，為了保護設(shè)備安全，風(fēng)電機組被切除，此時的故障點短路電流波形如圖11所示，故障點的最大短路電流為15.02 kA。

圖11 風(fēng)機切機后故障點短路電流波形

3.1.2 兩相短路故障

風(fēng)機具備LVRT能力，故障點短路電流波形為圖12所示。

圖12 風(fēng)機低電壓穿越期間故障點短路電流

當(dāng)110 kV母線發(fā)生兩相短路故障，風(fēng)機具備低電壓穿越能力時，故障點短路電流的最大值為12.84kA。

圖13為風(fēng)機不具備低電壓穿越能力的短路電流波形。當(dāng)110 kV母線發(fā)生兩相短路故障，風(fēng)機切機后，故障點的最大短路電流為12.81 kA。

3.2 機端故障

3.2.1 三相短路故障

風(fēng)機具備低電壓穿越能力，故障點短路電流波形如圖14所示。故障點短路電流最大值為5.60 kA。

圖13 兩相短路故障風(fēng)機切機后短路電流波形

圖14 機端三相短路故障時低穿期間短路電流波形

風(fēng)機不具備低電壓穿越能力，故障時切機，短路電流波形如圖15所示。其短路電流最大值為5.56 kA。

圖15 短路故障切機后故障點短路電流波形

3.2.2 兩相短路

風(fēng)機具備低電壓穿越能力，故障點短路電流波形如圖16所示。短路電流最大值為4.80 kA。

圖16 機端兩相短路風(fēng)機低穿期間短路電流波形

圖17 機端兩相短路風(fēng)機切機短路電流波形

風(fēng)機不具備低電壓穿越能力，故障時切機，其短路電流波形如圖17所示。其短路電流最大值為4.76 kA。

4 結(jié)語

風(fēng)機低電壓穿越期間向故障點提供短路電流，風(fēng)電場提供的短路電流的大小與故障點位置同風(fēng)電場的電氣距離有關(guān)。相同類型的故障，越接近風(fēng)電場，風(fēng)電場提供的短路電流越大，同時，系統(tǒng)貢獻的短路電流越小。

故障點短路電流的大小與故障類型和故障點位置有關(guān)。相同類型的故障，越靠近電網(wǎng)，短路電流越大；相同位置的故障，三相短路故障引起的短路電流最大。

［1］ Tao Sun，Z Chen.Transient Analysis of Grid 一 Connected Wind Turbines With DFIG after An External Short Circuit Fault ［C］.Nordic Wind Power Conference，l-2，MARCH，2004，1-6.

［2］ 李欣.風(fēng)電機組的短路電流特性及低電壓穿越研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2009.

［3］ 李曉濤.并網(wǎng)型風(fēng)電場的短路電流計算及低電壓穿越能力分析［D］.北京：華北電力大學(xué)，2011.

［4］ 王偉，孫明冬.米曉東.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（23）：84-89.