基于PSCAD／EMTDC的雙饋型風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)研究

黃 尋，侯延鵬，朱宏超，馬志騏

（國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

基于PSCAD／EMTDC的雙饋型風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)研究

黃 尋，侯延鵬，朱宏超，馬志騏

（國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

隨著大規(guī)模風(fēng)電機組并網(wǎng)數(shù)量的不斷增加，風(fēng)電機組脫網(wǎng)問題成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。分析了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組單機運行特性，在電力系統(tǒng)仿真平臺PSCAD／EMTDC中搭建了雙饋型風(fēng)電場群的兩機仿真等值模型。通過仿真模擬機組連鎖脫網(wǎng)過程，揭示了雙饋型風(fēng)電機組群的連鎖脫網(wǎng)機理。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機；連鎖脫網(wǎng)；等值模型；PSCAD／EMTDC

1 雙饋型風(fēng)電機組（DFIG）連鎖脫網(wǎng)概述

風(fēng)電是目前除水電以外最成熟、經(jīng)濟效益最好的可再生能源發(fā)電技術(shù)，在世界各國都得到重視。隨著我國大型風(fēng)電基地的開發(fā)和建設(shè)，中國的風(fēng)電裝機規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一位［1］。

大規(guī)模風(fēng)電機組接入電網(wǎng)也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。近年來風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)事故時有發(fā)生。2011年甘肅酒泉、河北張家口等風(fēng)電基地連續(xù)發(fā)生大規(guī)模的風(fēng)電機組脫網(wǎng)事故，造成電力系統(tǒng)較大的有功功率缺額和無功功率變動，嚴重影響電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定［2］。

現(xiàn)有不少文獻研究了大規(guī)模雙饋型風(fēng)電機組（DFIG）連鎖脫網(wǎng)事故。文獻［3］研究了由于撬杠保護動作時間明顯小于定子回路機械開關(guān)動作的時間，使得雙饋電機在最終脫離電網(wǎng)前進入異步運行狀態(tài)。文獻［4－5］根據(jù)實際風(fēng)電機組脫網(wǎng)案例，分析了風(fēng)電機組脫網(wǎng)原因及對策，描述了脫網(wǎng)事故現(xiàn)象，分析了脫網(wǎng)事故發(fā)生的原因。文獻［5］探究了大規(guī)模風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)事故機理，分析了典型脫網(wǎng)事故發(fā)展過程，研究風(fēng)電機組事故演化發(fā)展主導(dǎo)因素，分析連鎖脫網(wǎng)事故發(fā)展過程。文獻［6］分析了雙饋型風(fēng)電集群近滿載工況下連鎖脫網(wǎng)機理，討論低壓脫網(wǎng)中風(fēng)電機組動態(tài)過程的時序切換特征和無功變化特征，研究了風(fēng)電場接近滿載連鎖脫網(wǎng)過程。

本文以雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組為研究對象，分析了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組的單機運行特性，在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD／EMTDC中，搭建了風(fēng)電場群中機組電磁暫態(tài)仿真等值模型，通過仿真模擬機組連鎖脫網(wǎng)過程，研究了大規(guī)模風(fēng)電機組群的連鎖脫網(wǎng)機理。

2 雙饋型風(fēng)電機組單機運行特性

雙饋型風(fēng)電機組在東北地區(qū)風(fēng)電場中，特別是遼寧地區(qū)的風(fēng)電場得到了廣泛應(yīng)用。本文采用遼寧地區(qū)風(fēng)電場中常用的Gamesa G58－850kW型雙饋型風(fēng)電機組為例進行研究。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機、異步發(fā)電機和四象限變流器等部分組成，為保障轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的安全運行，雙饋型風(fēng)電機組通常配置Crowbar保護［7－8］。配置了Crowbar保護的雙饋型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)

機組的額定功率為850 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 620 r／min，定子額定電壓、額定電流、額定功率分別為690 V，699 A，800 kW，轉(zhuǎn)子額定電壓、額定電流、額定功率分別為150 V，277 A，50 kW。設(shè)備生產(chǎn)廠家給出的G58－850kW機組的風(fēng)速—功率運行特性設(shè)計曲線如圖2所示。機組的切入風(fēng)速為3 m／s，切出風(fēng)速為21 m／s。當(dāng)風(fēng)速大于12 m／s時，機組處于近滿載狀態(tài)。

DFIG正常運行時的數(shù)學(xué)模型為［9－10］

圖2 G58－850kW機組的風(fēng)速—功率運行特性設(shè)計曲線

式中：usd（q）為定子的d（q）軸電壓；urd（q）為轉(zhuǎn)子的d（q）軸電壓；isd（q）為定子的d（q）軸電流；ird（q）為轉(zhuǎn)子的d（q）軸電流；Rs（r）為定（轉(zhuǎn)）子繞組電阻；ψsd（q）為定子的d（q）軸磁鏈，ψrd（q）為轉(zhuǎn)子的d（q）軸磁鏈；Ls（r）為定（轉(zhuǎn)）子繞組自感；Lm為定（轉(zhuǎn)）子繞組d（q）互感；ω1為同步旋轉(zhuǎn)角速度；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；Tj為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；Np為極對數(shù)；Te和Tm分別為機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩。

3 兩機等值仿真模型

以遼寧地區(qū)某風(fēng)電場為研究對象，2臺雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組型號均為G58－850kW，通過風(fēng)電機組出口箱變（升壓變）、風(fēng)電場內(nèi)集電線路、風(fēng)電場出口主變、風(fēng)電場外送線路與220 kV主電網(wǎng)相連，正常運行時各機組均以恒定功率因數(shù)cosφ＝1.0運行。該風(fēng)電場主要設(shè)備及送出線路參數(shù)如表1所示。場內(nèi)集電系統(tǒng)（包括風(fēng)電機組出口升壓變、場內(nèi)各集電系統(tǒng)線路等）電壓等級為35 kV。2臺雙饋型風(fēng)電機組聯(lián)網(wǎng)運行系統(tǒng)主接線如圖3所示。

表1 風(fēng)電場主要設(shè)備及送出線路參數(shù)

4 DFIG兩機連鎖脫網(wǎng)仿真算例分析

4.1 初始運行條件

運行條件：DFIG1風(fēng)速V1＝16 m／s，DFIG2風(fēng)速V2＝13 m／s，2臺機組均以單位功率因數(shù)運行，轉(zhuǎn)子變流器向電網(wǎng)輸出的無功功率為0 Mvar，電網(wǎng)電壓U1＝1.05 p.u.。

4.2 仿真擾動條件

圖3 DFIG兩機仿真系統(tǒng)示意圖

電壓擾動地點：風(fēng)電場主變低壓側(cè)母線；電壓擾動時刻：t＝0.615 s（為DFIG1轉(zhuǎn)子c相電流達到幅值時刻）；擾動持續(xù)時間：80ms；仿真步長：Δt＝10 μs；Crowbar保護動作定值：500 A［3］；Crowbar保護電阻：0.1 Ω；定子接觸器動作時間：80ms［11－12］。

4.3 仿真結(jié)果

DFIG兩機連鎖脫網(wǎng)仿真結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)t＜0.615 s時，DFIG1和DFIG2處于穩(wěn)態(tài)運行。

當(dāng)t＝0.615 s時，風(fēng)電場主變母線低壓側(cè)發(fā)生電壓擾動。此時DFIG1轉(zhuǎn)子c相電流瞬時值達到幅值380 A。風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3由0.991 p.u.突降至0.85 p.u.，引起DFIG1和DFIG2轉(zhuǎn)子電流增大。

當(dāng)t＝0.615 5 s時，即風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3陷落后約0.5ms，DFIG1轉(zhuǎn)子c相電流首先達到Crowbar保護動作定值500 A，DFIG1機組Crowbar保護動作。

此后，DFIG1從電網(wǎng)吸收無功功率，使風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3進一步下降，DFIG 2轉(zhuǎn)子電流進一步增大。

當(dāng)t＝0.679 5 s時，即DFIG1機組Crowbar保護動作后約64ms，DFIG1從電網(wǎng)吸收無功功率達到0.31 Mvar，風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3由擾動出現(xiàn)時的0.85 p.u.降低至0.74 p.u.（電壓陷落量ΔU＝0.11 p.u.）。此時，DFIG2轉(zhuǎn)子c相電流達到Crowbar保護動作定值500 A，DFIG2機組Crowbar保護動作。

圖4 DFIG兩機連鎖脫網(wǎng)仿真波形

至此，電壓擾動出現(xiàn)后約64.5ms，DFIG1和 DFIG2的Crowbar保護均已動作。連鎖脫網(wǎng)已經(jīng)開始。

此后，DFIG2從電網(wǎng)吸收無功功率，使風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3進一步下降。

當(dāng)t＝0.695 5 s時，即DFIG1機組Crowbar保護動作后80ms、DFIG2機組Crowbar保護動作后16ms時，DFIG2從電網(wǎng)吸收無功功率達到0.025 Mvar，風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3由0.74 p.u.降至0.72 p.u.（該值為連鎖脫網(wǎng)過程中U2的最低值）。此時，DFIG1定子接觸器動作，將DFIG1定子繞組從電網(wǎng)切除。DFIG1定子繞組切除前，DFIG1吸收無功功率為0.309 Mvar。

DFIG1定子繞組從電網(wǎng)切除后，風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3開始回升。

當(dāng)t＝0.759 5 s時，即DFIG2機組Crowbar保護動作后80ms，風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3由0.72 p.u.回升至0.89 p.u.。此時，DFIG2定子接觸器動作，將DFIG2定子繞組從電網(wǎng)切除。

DFIG2定子繞組從電網(wǎng)切除后，風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓U3由0.89 p.u.回升至1.015 p.u.。

綜上，當(dāng)風(fēng)電場主變低壓側(cè)出現(xiàn)電壓擾動，使風(fēng)電場主變高壓側(cè)電壓由擾動前的0.991 p.u.變至0.85 p.u.，距電壓擾動出現(xiàn)后約144.5ms，DFIG1和DFIG2由于連鎖原因?qū)е露呙摼W(wǎng)。

5 結(jié)束語

大規(guī)模風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)是電網(wǎng)安全運行所面臨的又一新挑戰(zhàn)。本文從雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組的運行特性角度搭建兩機仿真系統(tǒng)的風(fēng)電場等值模型。忽略風(fēng)電場內(nèi)部機組之間的影響，通過仿真模擬風(fēng)電機組間的連鎖脫網(wǎng)事故，更加準(zhǔn)確地揭示了連鎖脫網(wǎng)機理。

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Study on Cascading Trip?off of Doubly?fed Induction Generators Based on PSCAD／EMTDC

HUANG Xun，HOU Yan?peng，ZHU Hong?chao，MA Zhi?qi
（State Grid Benxin Power Electric Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China）

With the increasing of large?scale wind power integration quantity，the problem of the cascading trip?off for wind generators becomes a threat to the safely and steady operation of power grid.The operational characteristics of doubly?fed induction generator（DFIG）is analyzed.Equivalent model of two doubly?fed induction generators for doubly?fed wind farms is developed based on the pow?er system analysis software of PSCAD／EMTDC.The process of cascading tripping of DFIGs is simulated and the cascading trip?off mechanism of doubly?fed wind generators is investigated.

DFIG；Cascading trip?off；Equivalent model；PSCAD／EMTDC

TM614

A

1004－7913（2016）06－0031－04

黃 尋（1979—），男，學(xué)士，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運行工作。

2016－03－09）