恒速異步發(fā)電機型風電場低電壓穿越能力仿真研究

李 升，王家華

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恒速異步發(fā)電機型風電場低電壓穿越能力仿真研究

李 升1，王家華2

（1. 南京工程學院電力工程學院，南京 211167；2. 南京四方億能電力自動化有限公司，南京 211101 )

本文以一個機端母線設置為節(jié)點的恒速異步發(fā)電機型風電場接入無窮大系統為例，對風電場接入系統線路發(fā)生三相接地短路故障時的風電場低電壓穿越(LVRT)能力進行了仿真分析，研究結果顯示風電場的LVRT能力主要取決于故障發(fā)生后系統維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力，即取決于故障切除時間t的大小。當t小于或等于故障極限切除時間t時，風電場則具備一定的LVRT能力；當系統具有較大的t值時，可有效提高風電場低電壓穿越的持續(xù)時間；在t≤t的前提下，故障切除時間越短，風電場并網點電壓恢復正常水平的速度越快。當風電機組機端并聯電容器組、SVC、STATCOM等無功補償設備時，均可有效增大系統的t值，從而顯著提高風電場的LVRT能力；其中STATCOM對風電場LVRT能力的補償效果最好。

風電場；恒速異步發(fā)電機；低電壓穿越；暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；故障切除時間

0 前言

風電場低電壓穿越能力（low voltage ride-though, LVRT）是指風電機組在電網發(fā)生短路故障引起并網點電壓跌落時保持不脫網連續(xù)運行的能力。要求風電場及風電機組具有LVRT能力的主要目的是為了防止電網故障時風電機組切機及反復并網可能帶來的安全穩(wěn)定問題。

我國2012版《風電場接入電力系統技術規(guī)定》給出了風電場具備LVRT能力的并網點電壓下限輪廓線，如圖1所示[1]，其中低電壓穿越的持續(xù)時間為625ms，是在繼電保護（快速保護）動作時間、斷路器跳閘時間及保證具有一定時間裕度的基礎上總結出的。同時規(guī)程還規(guī)定風電場并網點電壓在短路故障發(fā)生2s后能夠恢復到標稱電壓的90%及以上。

目前風電場采用的風電機組主要有兩種類型，一種是恒速風力發(fā)電機組，即普通異步發(fā)電機組；另一種是變速風力發(fā)電機組，如雙饋異步發(fā)電機、直驅永磁同步發(fā)電機等。變速風力發(fā)電機組在換流器等裝置的作用下一般具有一定或較強的LVRT能力[2-4]；而恒速異步發(fā)電機組在運行時由于要吸收無功功率以建立磁場，其本身一般被認為不具備LVRT能力，但可在其機端、箱變高壓側或風電場主變低壓側裝設電容器組、SVC或STATCOM等無功補償裝置提高風電場的LVRT能力[5-6]。恒速異步發(fā)電機型風電場目前仍廣泛使用，因此研究這類風電場的LVRT能力具有現實的意義，對于保障風電場的安全穩(wěn)定運行極為重要。

圖1 風電場低電壓穿越要求

本文運用PSAT軟件對一個恒速異步發(fā)電機型風電場—無窮大系統中風電場的LVRT能力進行仿真研究，從系統暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的角度研究風電場的LVRT問題，探討故障切除時間對各種情況下風電場LVRT能力的影響。

1 算例介紹

圖2 風電場接入大電網

如圖2所示的一個風電場—無窮大系統，風電場采用同型號的恒速恒頻異步風力發(fā)電機組，一機一箱變接線，匯集后經10.5kV 場內線路接入主升壓變，再經過110kV雙回輸電線路接入電網。

單臺恒速恒頻異步風力發(fā)電機參數：額定容量2MVA，額定電壓0.69kV，r=0.048p.u.，x=0.075p.u.，r=0.018p.u.，x=0.12p.u.，x=3.8p.u.，H=2.5s。風電場由10臺機組組成，額定容量達20MVA。

單臺箱式變壓器參數：0.69/10.5kV，額定容量2.25MVA，短路阻抗6.5%。

場內線路：阻抗為0.198+j0.624p.u.(基準容量100MVA)。

風電場主變：10.5/121kV，額定容量50MVA，短路阻抗10.5%。

風電場接入系統輸電線路：每回阻抗為0.132+j0.375p.u.（基準容量100MVA）。

在進行建模和時域仿真時標幺值基準容量取100MVA，基準電壓取各電壓等級的平均額壓。

風速模型采用韋伯（Weibull）模型，具體參數采用PSAT提供的默認值。

無窮大系統端母線Bus5設置為Slack節(jié)點，電壓幅值取1p.u.，電壓參考相角為0。風電機組的機端母線既可設置為節(jié)點，也可設置為節(jié)點；考慮在實際運行中一般按節(jié)點運行，因此本文將風電機組機端母線Bus1設置為節(jié)點，異步風力發(fā)電機發(fā)出的有功功率占其額定容量的80%(即0.16p.u.)，吸收的無功功率占額定容量的30%(即0.06p.u.)。

在圖2所示系統中，母線Bus4為風電場并網點。

由于風電場LVRT能力涉及到電網側發(fā)生短路故障后風電場內各母線電壓能否及時恢復的問題，因此與系統的暫態(tài)穩(wěn)定性緊密相關。圖2所示系統中，異步發(fā)電機可被視為一個吸收無功功率的感性負荷，因此該系統存在的暫態(tài)穩(wěn)定性問題屬于暫態(tài)電壓穩(wěn)定的范疇。衡量系統暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的主要指標是故障極限切除時間t，當故障切除時間t小于或等于t時，系統各母線電壓均能夠恢復正常；否則系統內至少有1條母線電壓發(fā)生崩潰[7]。

2 風電機組無無功補償時的風電場LVRT能力分析

現假設風電機組機端未裝設任何無功補償設備，潮流計算結果顯示異步發(fā)電機所吸收的無功功率(0.06p.u.)全部由無窮大系統提供，機端母線Bus1電壓為0.9087p.u.?，F分別考察風電場接入無窮大系統的雙回輸電線路中L2首端（即發(fā)送端）及L2中點處發(fā)生三相接地短路(接地阻抗為0+j0.001p.u.)時的風電場LVRT能力。

2.1 線路L2首端發(fā)生短路故障

設線路L2首端（即風電場并網點）在時間=2s時發(fā)生三相接地短路，線路保護在時間t（即故障切除時間）后切除故障線路，線路不重合；仿真過程中不考慮繼電保護動作。經過反復的仿真測試可求得系統的故障極限切除時間t。由于風速具有隨機性和間歇性，從而導致機端輸出電壓也具有波動性，因此當在不同時間進行仿真測試時，t的大小可能會產生一些微小的變化，但偏差一般只在幾ms 之內。

如圖3（a）所示，當t=0.619s時，機端母線電壓能夠恢復正常，系統能夠維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定；當t=0.620s時，機端母線電壓發(fā)生崩潰，系統失去暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，因此故障極限切除時間t=0.619s。

當電網側線路L2發(fā)生短路故障時，異步風力發(fā)電機的電磁轉矩和機械轉矩不平衡導致機組轉速不斷增大，如圖3（b）所示，若故障切除時間t大于t，則轉子加速將失去控制，最終造成機端電壓崩潰（跌落至0p.u.）；若考慮繼電保護動作，則風電機組的超速保護和低電壓保護將機組從電網切除。如圖3（c）所示，由于短路故障發(fā)生在非常接近風電場并網點的線路L2的首端，因此故障期間Bus4電壓跌落在0p.u.左右。當t=0.619s時，Bus4電壓在故障發(fā)生2s后能夠及時恢復至0.9p.u.以上，說明風電場具有一定的LVRT能力。而當t=0.620s時，Bus4電壓無法恢復正常，最終跌落在0.70762p.u.，風電場無法實現LVRT功能；注意此時Bus4電壓由于受到無窮大系統的支撐，其跌落水平并不會過低。

2.2 線路L2中點發(fā)生短路故障

現假設三相接地短路故障發(fā)生在線路L2的中點，其他仿真條件不變，經測試可求得系統的t=0.738s，和故障發(fā)生在線路L2首端的情況相比，系統的故障極限切除時間明顯增大，系統維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的能力增強，而風電場低電壓穿越的持續(xù)時間也相應變長。如圖4所示風電場并網點Bus4的電壓變化曲線，由于故障點距離并網點有一定的電氣距離，因此故障期間的并網點電壓跌落水平得到提高；當t=0.738s時，Bus4電壓可恢復至0.9p.u.以上；若將故障切除時間縮短，例如取0.625s，則Bus4電壓恢復正常運行水平的速度將明顯加快，顯著提高了風電場的LVRT能力。

由以上分析可知，并入電網的風電場的LVRT能力主要取決于故障后系統恢復暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的能力和故障切除時間，當故障切除時間小于或等于系統的故障極限切除時間時，即使恒速異步風電機組機端不裝設任何無功補償設備，也可使風電場具備一定的LVRT能力。

3 風電機組機端有無功補償時的風電場LVRT能力分析

文獻[8]運用仿真方法考察了并聯電容器組、SVC、STATCOM對風電場并網點電壓的補償作用，現考慮異步風力發(fā)電機組機端母線分別裝設這3種無功補償設備時對含風電場的電力系統的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風電場LVRT能力的補償效果。

圖3 機端無補償、L2首端短路時電壓和轉速變化曲線

圖4 機端無補償、L2中點短路時并網點電壓變化曲線

首先以風電機組機端并聯電容器組的情況來確定無功補償的額定容量。由潮流計算結果可知，當取電容器組額定容量為6MVar時，電容器組發(fā)出的無功功率為0.05702p.u.，不足以補償異步發(fā)電機需吸收的無功（0.06p.u.）。當取額定容量為7MVar及以上時，電容器組發(fā)出的無功功率>0.06p.u.，可滿足異步發(fā)電機對無功的需求。在實際仿真時，電容器組、SVC(采用PSAT提供的I型SVC模型)、STATCOM的額定容量均取8MVar，當系統穩(wěn)定運行時，電容器補償可使并網點電壓維持在1.009p.u.左右，SVC補償維持在0.992p.u.左右， STATCOM補償則維持在1.006p.u.左右。

風電機組機端裝設各種無功補償設備時，系統的故障極限切除時間t如表1所示（基本仿真條件同前）。

表1 故障極限切除時間tvc/s

由表1可知，當風電機組機端母線裝設無功補償設備時，可明顯增大t值，從而有效提高系統的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風電場的低電壓穿越持續(xù)時間。其中以STATCOM的補償效果最好；而SVC的補償效果反不及電容器組。另外，由表1可知，線路L2中點發(fā)生短路故障時的t值均較相應的L2首端發(fā)生短路故障時的t值大。

圖5為故障切除時間t=0.625s時，風電機組機端未進行無功補償及分別采用電容器組、SVC和STATCOM補償時的并網點電壓變化曲線。由圖5可知機端未裝設無功補償設備時，并網點電壓最終崩潰，這是由故障極限切除時間小于0.625s的原因所造成的；而機端裝設電容器組、SVC或STATCOM時，由于對應的故障極限切除時間均大于0.625s，并網點電壓均能在故障發(fā)生2s后恢復正常（0.9p.u.以上）。當機端裝設STATCOM時，故障切除后并網點電壓的恢復速度最快，電容器組次之，而SVC相對最慢。

4 結論

本文運用PSAT軟件對一個機端母線設置為節(jié)點的恒速異步發(fā)電機型風電場并入無窮大系統時的LVRT能力進行了仿真研究，可獲得如下結論：

（1）風電場的LVRT能力取決于系統在短路故障發(fā)生后維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力，要保證電網側發(fā)生短路故障時風電場具有LVRT功能，就須在系統故障極限時間t內將故障及時切除；當故障切除時間t大于t時，風電場不具備LVRT能力。

圖5 L2首端短路時并網點電壓變化曲線(ts=0.625s)

（2）在t小于等于t的前提下，故障切除時間越短，并網點電壓恢復正常水平的速度也越快，風電場的LVRT能力越強。

（3）在異步風力發(fā)電機機端母線裝設電容器組、SVC或STATCOM時，可有效增大系統的t值，從而提高風電場的低電壓穿越持續(xù)時間（即故障極限切除時間）；在各種無功補償設備中，機端裝設STATCOM時可獲得最大的故障極限切除時間，在相同的t下，可使并網點電壓的恢復速度最快，對提高系統暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風電場LVRT能力的效果最好。

（4）當風電場接入電網線路上的短路故障點與并網點之間的電氣距離較大時，系統維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力和風電場的LVRT能力也較強，即風電場LVRT能力會受到電網側短路故障點位置的影響，在并網點發(fā)生短路故障時風電場的LVRT能力最弱。

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Simulation Study on LVRT Ability of Constant-speed Asynchronous Generator-based Wind Farm

LI Sheng1, WANG Jiahua2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China；2. Nanjing Sifang Epower Electric Automation Co., Ltd., Nanjing 211101, China)

A simulation model is established that a constant-speed asynchronous generator-based wind farm is accessed in the infinite system and the terminal bus of asynchronous generator is set innode. Base on the model we make some simulation analyses about LVRT ability of the wind farm when the 3-phase grounding short circuit fault happens in the grid connected line. The research results show that wind farm’s LVRT ability mostly depends on the ability of maintaining transient voltage stability after the fault happened, namely depends on the fault clearing timet. Whentis shorter than or equal to the fault critical clearing timet, the wind farm can have a certain LVRT ability and the greater tcan improve the duration time of LVRT. Whent≤t, the shorter the fault clearing timetis, the faster the voltage of grid connected bus recovers. When the terminal bus of the asynchronous generator parallels capacitor bank, SVC or STATCOM, the tcan be increased effectively and the ability of LVRT can be improved obviously, and the STATCOM can obtain the best compensation effect on LVRT ability.

wind farm; constant-speed asynchronous generator; low voltage ride-though(LVRT); transient voltage stability; fault clearing time

TM315

A

1000-3983(2014)01-0024-04

南京工程學院科研基金項目(QKJC2009007)

2013-03-13

李升（1973-），1995年畢業(yè)于河海大學電力系統及其自動化專業(yè)，研究方向為電力系統穩(wěn)定與控制、新能源并網及智能電網技術，副教授。

審稿人：許善椿