新型DVR-FCL的SCIG風(fēng)電場(chǎng)短路故障穿越方法

涂春鳴，侯 尊，姜 飛，帥智康，鄧 樹(shù)，唐君華

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)），長(zhǎng)沙 410082）

新型DVR-FCL的SCIG風(fēng)電場(chǎng)短路故障穿越方法

涂春鳴，侯 尊，姜 飛，帥智康，鄧 樹(shù)，唐君華

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)），長(zhǎng)沙 410082）

由于傳統(tǒng)的鼠籠型異步機(jī)風(fēng)電場(chǎng)本身并不具備故障穿越的能力，本文提出了一種具備限流功能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其串聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)，在電網(wǎng)短路故障初始階段，利用雙向晶閘管投入串聯(lián)限流電感，維持跌落過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)出口電壓相對(duì)恒定；在短路故障清除后切換至電壓補(bǔ)償功能，有利于風(fēng)電場(chǎng)出口電壓的快速恢復(fù)。在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上建立了鼠籠型異步機(jī)風(fēng)電場(chǎng)及相關(guān)電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果表明所提方法有利于提高鼠籠型異步風(fēng)機(jī)的短路故障穿越能力。

風(fēng)電場(chǎng)；鼠籠型異步風(fēng)電機(jī)；動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償；故障限流；故障穿越

目前，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，風(fēng)電機(jī)組的市場(chǎng)需求逐步增加[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量增大和電壓等級(jí)提高，大型風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)保持接入，并能經(jīng)受故障引起的暫態(tài)擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能[2-5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括基于普通異步發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)機(jī)以及基于變頻器的變速風(fēng)機(jī)。前者由于結(jié)構(gòu)和控制方法簡(jiǎn)單，因此市場(chǎng)占有率最大[6]。但定速風(fēng)機(jī)采用鼠籠型異步發(fā)電機(jī)，缺少勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速與功率控制系統(tǒng)，并網(wǎng)后降低了電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)附近電網(wǎng)發(fā)生瞬間短路故障時(shí)，直接耦合的連接方式使公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）電壓降落，將引起風(fēng)電機(jī)組定子端電壓跌落和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。定子磁鏈將出現(xiàn)直流分量，不對(duì)稱故障下還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量，而定子磁鏈直流分量和負(fù)序分量使得較高轉(zhuǎn)速的電機(jī)轉(zhuǎn)子形成較大轉(zhuǎn)差，因而感應(yīng)出較大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流，引起轉(zhuǎn)子電路的過(guò)壓過(guò)流問(wèn)題[7]。

針對(duì)鼠籠型異步機(jī)SCIG（squirrel-cage induction generator）風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]分析了故障點(diǎn)位置、故障點(diǎn)附近的風(fēng)機(jī)容量和故障發(fā)生時(shí)間等因素對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，并提出了“分散接入”的方式能提高風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性，但對(duì)低壓減載裝置的研究仍有待深入。文獻(xiàn)[9]對(duì)靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器SVC（static var compensator）改善異步風(fēng)機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，利用SVC和槳距角控制的綜合方法改善風(fēng)機(jī)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，其中SVC補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)所需的無(wú)功容量，槳距角控制減小故障期間輸入有功功率，以降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)速。但對(duì)于SVC四象限連續(xù)運(yùn)行和跌落時(shí)裝置的補(bǔ)償容量，以及過(guò)零投切等問(wèn)題仍需考慮。文獻(xiàn)[10]分別研究了定速風(fēng)電機(jī)組和帶有可變轉(zhuǎn)子電阻控制的繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)，提出采用靜態(tài)同步補(bǔ)償器STATCOM（static synchronous compensator）能加快故障后電壓恢復(fù)。STATCOM的控制方式較復(fù)雜，對(duì)開(kāi)關(guān)器件要求較高[11-13]。此外，采用機(jī)端串聯(lián)制動(dòng)電阻SDBR（series dynamic braking resistor）提高故障后的風(fēng)機(jī)端電壓并調(diào)節(jié)故障后風(fēng)電場(chǎng)的有功功率[14-16]，但其僅通過(guò)消耗有功功率提高風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性，改善效果可能受系統(tǒng)功率因數(shù)影響。文獻(xiàn)[17]提出了將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（dynamic voltage restorer）用于風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越，但未能考慮故障清除后風(fēng)電場(chǎng)公共端電壓恢復(fù)緩慢的情況。文獻(xiàn)[18]提出將固態(tài)限流器SSFCL（solid state fault current limiter）作為風(fēng)電機(jī)組保護(hù)裝置，但同樣未考慮故障切除后公共點(diǎn)電壓恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文討論了SCIG風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的短路電流特性及暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。本文提出了采用風(fēng)電場(chǎng)出口處接入具有限流功能的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器DVR-FCL（dynamic voltage restorer with fault current limiter），并分析了短路故障下DVR-FCL提高SCIG風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的工作機(jī)理。在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上建立仿真模型，結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL運(yùn)行機(jī)理

1.1 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用新型DVR-FCL方法的SCIG風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，SCIG風(fēng)電場(chǎng)采用單機(jī)等值模型。SCIG風(fēng)電場(chǎng)由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、鼠籠感應(yīng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器組構(gòu)成，SCIG風(fēng)電場(chǎng)在向電網(wǎng)提供有功功率同時(shí)自身需要消耗一定無(wú)功功率，這部分無(wú)功功率通過(guò)風(fēng)機(jī)出口處安裝的一組并聯(lián)電容器補(bǔ)償。最后經(jīng)過(guò)690 V/10 kV的升壓變壓器和具備限流功能的DVR接入10 kV電網(wǎng)。

DVR-FCL采用三單相結(jié)構(gòu)，圖1給出其單相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。DVR串聯(lián)在SCIG風(fēng)電場(chǎng)主變壓器和PCC之間，系統(tǒng)由PWM整流器、串聯(lián)變流器、雙向晶閘管控制短路支路、串聯(lián)變壓器和控制系統(tǒng)組成。PWM整流器通過(guò)并聯(lián)變壓器接入風(fēng)電場(chǎng)主變壓器高壓側(cè)，3個(gè)單相變壓器直流電容通過(guò)3個(gè)單相可控整流橋充電，串聯(lián)變流器通過(guò)直流儲(chǔ)能單元與PWM整流器相連，實(shí)現(xiàn)能量的交互流通。雙向晶閘管控制短路支路由2個(gè)反向并聯(lián)晶閘管和電感L組成，并聯(lián)在LC型濾波器電容兩端，電網(wǎng)電壓正常時(shí)，反向并聯(lián)的晶閘管關(guān)斷，DVR處于電壓質(zhì)量補(bǔ)償模式，補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)出口的小幅電壓波動(dòng)。通過(guò)LC型濾波器濾除串聯(lián)變流器產(chǎn)生的高頻諧波，通過(guò)逆變器輸出端提供補(bǔ)償電壓，維持SCIG風(fēng)電場(chǎng)出口電壓穩(wěn)定。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of the wind farm with DVR-FCL

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓出現(xiàn)大幅跌落，同時(shí)定子側(cè)短路電流在故障瞬間瞬時(shí)增大，此時(shí)整流器和串聯(lián)變流器的絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）封鎖，反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通，輸出電感短接到串聯(lián)變壓器副邊，限流單元的電感L等效串聯(lián)在風(fēng)場(chǎng)出口和PCC之間，進(jìn)入限流保護(hù)模式。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL穩(wěn)態(tài)等值模型

由于基于異步電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及電氣量具有以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，取同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，可以簡(jiǎn)化計(jì)算。因此，將d/q軸放在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上建立電機(jī)的狀態(tài)方程[19]，定轉(zhuǎn)子各軸電壓為

式中：uds、uqs分別為定子的直軸、交軸電壓；udr、uqr分別為轉(zhuǎn)子的直軸、交軸電壓；Rs、Rr分別為定子、轉(zhuǎn)子電阻；ids、iqs分別為定子的直軸、交軸電流；idr、iqr分別為轉(zhuǎn)子的直軸、交軸電流；ψds、ψqs分別為定子磁鏈的直軸、交軸分量；ψdr、ψqr分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的直軸、交軸分量；ωs為同步轉(zhuǎn)速；p為微分算子；p(θr)是滑差角速度為

發(fā)電機(jī)磁鏈方程為[19]

式中：Lm=3LaA/2，LaA為定轉(zhuǎn)子互感幅值；Lss和Lrr為定轉(zhuǎn)子全自感。

轉(zhuǎn)子加速方程為

式中：H為發(fā)電機(jī)慣量常數(shù)；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起PCC電壓突降，此時(shí)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩比機(jī)械轉(zhuǎn)矩低，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。故障清除后，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)要恢復(fù)到故障前狀態(tài)需要吸收大量的無(wú)功功率。根據(jù)異步發(fā)電機(jī)的磁鏈及電壓方程，可推導(dǎo)出風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL單機(jī)模型穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2所示。圖2中Ug為電網(wǎng)電壓，rl+jXl為線路阻抗，U1為DVR-FCL等效輸出電壓，XL為限流阻抗；XT為升壓變壓器等效電抗，Is、Ir分別為電機(jī)定子電流、折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流，rs、rr分別為定子電阻、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，Xm為激磁電抗，s是轉(zhuǎn)差率，rs+jXs為定子漏阻抗，rr+jXr為轉(zhuǎn)子漏阻抗，（1-s）rr/s為轉(zhuǎn)子軸功率。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL單機(jī)模型穩(wěn)態(tài)等效電路Fig.2 Steady-state equivalent circuit of single-machine wind farm model with DVR-FCL

1.3 DVR-FCL提高風(fēng)電場(chǎng)故障穿越能力工作機(jī)理

為了研究DVR-FCL提高風(fēng)電場(chǎng)故障穿越能力的工作機(jī)理，需要建立短路故障初始階段和故障清除后的系統(tǒng)等效電路，即單機(jī)等效的風(fēng)電場(chǎng)DVRFCL穩(wěn)態(tài)等值電路。

系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，由于異步風(fēng)電機(jī)組沒(méi)有單獨(dú)的勵(lì)磁繞組，機(jī)端電壓在故障后跌落程度很大，缺少勵(lì)磁使定子及穩(wěn)態(tài)短路電流最終衰減至零。當(dāng)SCIG風(fēng)電場(chǎng)出口發(fā)生三相短路故障時(shí)，根據(jù)式（1）可得出定子A相在故障后的短路電流為

由于限流阻抗XL的作用，抑制了定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的瞬間電流沖擊，同時(shí)串入電抗提高了故障過(guò)程中的機(jī)端電壓，保持故障過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)出口電壓相對(duì)恒定，防止轉(zhuǎn)子失速。

短路故障初始階段，在DVR-FCL的整流器和串聯(lián)變流器IGBT脈沖封鎖之后，反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通，即S2斷開(kāi)，S1導(dǎo)通。在故障清除后PCC電壓恢復(fù)期間，反并聯(lián)晶閘管閉合，整流器和串聯(lián)變流器IGBT脈沖打開(kāi)，即S2導(dǎo)通，S1斷開(kāi)。DVR補(bǔ)償電壓相當(dāng)于恒壓源，使風(fēng)電場(chǎng)出口電壓快速恢復(fù)，避免風(fēng)電場(chǎng)吸收大量無(wú)功功率。投入DVR相當(dāng)于加入可調(diào)電壓源，有利于風(fēng)電場(chǎng)出口電壓快速恢復(fù)至正常水平，提高其故障穿越能力。

2 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL故障穿越控制策略

DVR-FCL兼顧了DVR和FCL的雙重功能。當(dāng)SCIG風(fēng)電場(chǎng)附近電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障支路會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)出口電壓瞬時(shí)跌落。風(fēng)電場(chǎng)要保持不脫網(wǎng)，瞬時(shí)故障電流要在很短時(shí)間內(nèi)得到抑制；同時(shí)在短路故障清除后，風(fēng)機(jī)端電壓應(yīng)快速恢復(fù)至額定值水平，否則會(huì)出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)吸收大量無(wú)功功率的情況，進(jìn)一步加劇風(fēng)電場(chǎng)的故障恢復(fù)緩慢問(wèn)題。根據(jù)上述要求，將DVR-FCL的工作模式分為故障限流控制和動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償控制。

2.1 短路故障初始階段電壓維持控制

在故障階段風(fēng)電機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流都將高于其額定值，這對(duì)風(fēng)機(jī)自身安全有很大隱患。風(fēng)電場(chǎng)在故障期間能夠保持不脫網(wǎng)，一般需要采取措施限制其輸出的機(jī)械功率，減緩電機(jī)轉(zhuǎn)速。三相短路故障是各種短路故障中最嚴(yán)重的一種，三相短路故障時(shí)，定子電壓跌落很?chē)?yán)重，同時(shí)故障電流瞬間激增。

2.1.1 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL故障限流工作模式

當(dāng)DVR-FCL檢測(cè)到短路電流達(dá)到限流動(dòng)作值時(shí)，封鎖故障相串聯(lián)變流器的工作脈沖，之后給晶閘管控制短路支路導(dǎo)通信號(hào)，將串聯(lián)變流器的輸出電感短路串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，實(shí)現(xiàn)故障限流。此時(shí)故障電流通過(guò)限流電抗，使風(fēng)電場(chǎng)出口電壓基本穩(wěn)定，DVR-FCL在故障限流工作模式下的等效電路如圖3所示。

圖3 DVR-FCL故障限流工作模式等效電路Fig.3 Equivalent circuit of DVR-FCL in the fault current-limiting mode

由于LC濾波器諧振點(diǎn)在高頻，即n2ω0L=1/ω0C，n為開(kāi)關(guān)頻率附近，ω0為基波角頻率，則ω0L?1/ω0C。同時(shí)由于L1較小，最終使串聯(lián)變壓器二次側(cè)的等效阻抗Zeq2=ω0L，等效到一次側(cè)的阻抗為Zeq= k2ω0L。由于k2很大，使輸出電感等效在一次側(cè)的阻抗Zeq很大，實(shí)現(xiàn)限制短路電流的目的。短路故障從發(fā)生到完成限流只需從串聯(lián)變流器完成封鎖到晶閘管控制短路支路完成開(kāi)通即可，切換至故障限流工作模式時(shí)間短。通過(guò)將輸出電感短路到串聯(lián)變壓器二次側(cè)實(shí)現(xiàn)限流功能，DVR-FCL基本不產(chǎn)生過(guò)電壓，限流動(dòng)作靈活且可多次操作，對(duì)電網(wǎng)影響也很小。

2.1.2 風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL故障限流控制策略

故障會(huì)導(dǎo)致PCC電壓驟降，但SCIG的輸出有功功率并不會(huì)突變。DVR-FCL在故障期間通過(guò)投入限流電抗來(lái)吸收風(fēng)機(jī)輸出的有功功率；故障后快速進(jìn)入電能質(zhì)量補(bǔ)償控制模式以迅速恢復(fù)風(fēng)電場(chǎng)出口處電壓，從而減輕電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

DVR-FCL故障限流工作模式控制框如圖4所示。線路發(fā)生短路故障時(shí)FaultA信號(hào)為高電平，再經(jīng)低電平轉(zhuǎn)換后與控制該相橋臂的PWMA信號(hào)相與得到低電平，封鎖串聯(lián)變流器的IGBT，得到IGBT封鎖信號(hào)Fs，其為低電平。故障信號(hào)FaultA經(jīng)過(guò)延時(shí)后，形成一個(gè)高電平脈寬經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制晶閘管短路支路導(dǎo)通，晶閘管支路控制變流器輸出濾波電感短接到串聯(lián)變壓器二次側(cè)，再等效到串聯(lián)變壓器原邊側(cè)進(jìn)行限流。當(dāng)短路故障消失后，給晶閘管低電平控制信號(hào)，晶閘管承受反壓關(guān)斷短路電抗支路，同時(shí)閉鎖信號(hào)消失，裝置重新進(jìn)入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式。

圖4 DVR-FCL的故障限流工作模式控制框Fig.4 Control block of DVR-FCL in the fault current-limiting mode

2.2 短路故障清除后電壓恢復(fù)控制

當(dāng)DVR-FCL檢測(cè)到電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)和不平衡的情況，立即進(jìn)入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式，DVRFCL在動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式下的等效電路如圖5所示。通過(guò)PWM整流器提供直流側(cè)電源，再經(jīng)過(guò)串聯(lián)變流器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓，以達(dá)到支撐PCC電壓，補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)和不平衡，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定PCC電壓和提高輸電質(zhì)量的目的。

此時(shí)具備限流功能的DVR等效為受控電壓源，根據(jù)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和不平衡情況向線路注入補(bǔ)償電壓。DVR-FCL動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式控制框如圖6所示，設(shè)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓為，實(shí)際檢測(cè)到的電源側(cè)A相電壓為usa，兩者的差值作為電壓波動(dòng)補(bǔ)償量uref，uref與usa的差值經(jīng)過(guò)PR調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波比較，得到串聯(lián)變流器逆變橋的控制信號(hào)。短路故障清除時(shí)FaultA信號(hào)為低電平，再經(jīng)反相器轉(zhuǎn)換并與該相橋臂控制的PWMA信號(hào)相與得到高電平，進(jìn)入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式。

圖5 DVR-FCL動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償工作模式等效電路Fig.5 Equivalent circuit of DVR-FCL in the dynamic voltage compensation mode

圖6 DVR-FCL的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償控制框Fig.6 Control block of DVR-FCL in the dynamic voltage compensation mode

3 仿真分析

為了驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)接入DVR-FCL方案的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了圖1所示的仿真模型。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為23 MW，由10臺(tái)2.3 MW的SCIG組構(gòu)成，風(fēng)電機(jī)組的極對(duì)數(shù)為3，其具體參數(shù)如表1所示。

DVR-FCL的主要參數(shù)如下：補(bǔ)償容量為25 MVA，直流側(cè)電壓1 200 V，串聯(lián)變流器輸出濾波器L=0.25 mH，C=27 μF，串聯(lián)變壓器變比為8∶1，直流側(cè)電容值1 500 μF，并聯(lián)變壓器變比為23.5∶1，PWM整流器輸出電感L=1 mH。下面對(duì)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

表1 鼠籠型異步風(fēng)電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of SCIG

3.1 短路故障下風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)特性分析

假設(shè)t=6 s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出口處發(fā)生三相短路故障，持續(xù)時(shí)間0.5 s，SCIG暫態(tài)特性如圖7所示。由圖7（a）可以看出，未接入DVR-FCL時(shí)，SCIG的機(jī)端電壓驟降，故障清除后，電壓恢復(fù)至額定值時(shí)間長(zhǎng)。圖7（b）中故障發(fā)生后風(fēng)機(jī)有功功率逐漸衰減，故障清除前一直為0，直到7.5 s才逐漸恢復(fù)到額定值。

由于仿真中風(fēng)電場(chǎng)未加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，故障期間磁鏈將逐漸衰減至0，圖7（c）中無(wú)功功率也隨之為0。故障清除后，為重建風(fēng)電場(chǎng)磁場(chǎng)，SCIG將從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)電壓恢復(fù)緩慢。故障期間，圖7（d）所示的電磁轉(zhuǎn)矩Te將短暫衰減至0，故障清除后逐漸恢復(fù)。機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm在故障期間有波動(dòng)，故障清除后逐漸恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。

由圖7（e）的仿真結(jié)果可看出，定子側(cè)故障電流瞬時(shí)增大，這部分沖擊電流會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部或變壓器的線圈嚴(yán)重發(fā)熱，之后指數(shù)衰減到0，故障清除后波動(dòng)變化，直到7.5 s時(shí)逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖7 三相短路故障下風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)特性Fig.7 Transient characteristics of the wind farm under three-phase short-circuit fault

3.2 短路故障下風(fēng)電場(chǎng)DVR-FCL故障穿越分析

SCIG風(fēng)電場(chǎng)接入DVR-FCL時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示，從圖8（a）～圖8（d）可看出，6 s時(shí)DVR-FCL檢測(cè)到短路故障，投入限流電感，機(jī)端電壓可維持額定值。6.5 s時(shí)故障消除后進(jìn)入DVR補(bǔ)償模式，電壓快速保持穩(wěn)態(tài)值6～6.5 s。風(fēng)電場(chǎng)有功功率維持不變，無(wú)功功率在故障恢復(fù)后不會(huì)驟增，機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm和電磁轉(zhuǎn)矩Te也維持穩(wěn)定。

圖8（e）中由于晶閘管控制投切限流電感，抑制了定子側(cè)的電流激增，確保了風(fēng)電場(chǎng)和相關(guān)電氣設(shè)備安全。

對(duì)比圖7和圖8可以得出，在故障初始階段，DVR-FCL進(jìn)入故障限流模式，有效抑制了風(fēng)電場(chǎng)出口處短路電流的沖擊，支撐出口處電壓，保持有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)穩(wěn)定；故障消除時(shí)，DVR-FCL進(jìn)入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償模式，使機(jī)端電壓迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值，同時(shí)減小了有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。仿真結(jié)果表明，接入DVR-FCL的SCIG風(fēng)電場(chǎng)具備電網(wǎng)嚴(yán)重故障下的故障穿越能力。

圖8 三相短路故障下接入DVR-FCL的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)特性Fig.8 Transient characteristics of the wind farm with DVR-FCL under three-phase short-circuit fault

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入分析了接入DVR-FCL的SCIG風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)短路故障下的工作機(jī)理，通過(guò)單機(jī)等效建立了風(fēng)電場(chǎng)模型。電網(wǎng)三相短路時(shí)，DVR-FCL進(jìn)入限流控制方式，抑制短路初始時(shí)刻的故障電流；故障消除后，進(jìn)入DVR電壓補(bǔ)償工作方式，快速恢復(fù)風(fēng)電場(chǎng)出口處公共點(diǎn)電壓。另外在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)的隨機(jī)波動(dòng)、偏航誤差、湍流、風(fēng)剪切及塔影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出口處公共點(diǎn)電壓小幅波動(dòng)，DVRFCL還可用于這些情況下的電能質(zhì)量問(wèn)題治理。

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Fault Ride-through of SCIG Wind Farm Using Novel DVR-FCL During Short-circuit Fault

TU Chunming，HOU Zun，JIANG Fei，SHUAI Zhikang，DENG Shu，TANG Junhua
（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center（Hunan University），Changsha 410082，China）

As the traditional wind farms based on squirrel-cage induction generators do not possess the fault ridethrough ability，a novel dynamic voltage restorer with the fault current-limiting function is proposed，which is connected in series to the position between the wind farm and grid.To maintain a relatively constant voltage at the exports of wind farm，the current-limiting inductor is added via the bidirectional thyristors in the early stage of short-circuit fault.The voltage compensation function is activated after the clearance of short-circuit fault to ensure the fast voltage recovery at the exports.A simulation model of the wind farm based on squirrel-cage induction generators and the associated gird is established in the PSCAD/EMTDC software environment.The simulation results indicate that the proposed control scheme is helpful to the improvement of fault ride-through ability of squirrel-cage induction generators during shortcircuit fault.

wind farm；squirrel-cage induction generator；dynamic voltage compensation；fault current-limiting；fault ride-through

TM614

A

1003-8930（2016）12-0031-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.006

涂春鳴（1976—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：chunming_tu@ 263.net

侯 尊（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在微網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用。Email：hnuhz2011@163.com

姜 飛（1985—），男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：jiamg85521@126.com

2014-11-14；

2016-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377051）