風(fēng)電場低電壓穿越與無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

徐濤，張夢彬

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特金川開發(fā)區(qū) 010080）

風(fēng)電場低電壓穿越與無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

徐濤，張夢彬

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特金川開發(fā)區(qū) 010080）

為提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力及電壓跌落期間含風(fēng)電地方電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。提出了電壓跌落期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組撬棒保護(hù)電路與磁控型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)協(xié)調(diào)控制的控制策略。電網(wǎng)電壓跌落程度較淺時(shí)不投入保護(hù)電路，僅靠無功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越。電網(wǎng)電壓跌落程度較深時(shí)撬棒保護(hù)電路與無功補(bǔ)償裝置共同投入以提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力。通過算例仿真，驗(yàn)證所提控制策略顯著提高了電壓跌落期間系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

風(fēng)電場；低電壓穿越；撬棒保護(hù)電路；暫態(tài)穩(wěn)定

隨著風(fēng)電大規(guī)模并入電網(wǎng)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落期間的控制策略對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。各國電網(wǎng)對風(fēng)電場并網(wǎng)均提出了具備低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力的要求。LVRT是指風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不脫離電網(wǎng)繼續(xù)為電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)提供無功支持，進(jìn)而“穿越”這個(gè)低電壓的時(shí)間區(qū)域[1-4]?，F(xiàn)階段我國大部分風(fēng)電機(jī)組都具備了LVRT功能，故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但隨著風(fēng)電容量的大幅增長，如何進(jìn)一步改善主流機(jī)型LVRT能力，提高含風(fēng)電地方電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性成為研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[5]綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外主流機(jī)型LVRT實(shí)現(xiàn)措施及其控制策略，分析了可能影響LVRT能力的技術(shù)因素。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)LVRT能力的各種控制及優(yōu)化控制策略。文獻(xiàn)[7]指出“大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)的電壓等級越高，對電力系統(tǒng)的影響也越突出”。文獻(xiàn)[8-9]探討了大型風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

事實(shí)上，具備LVRT能力的風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置之間的協(xié)調(diào)控制，是進(jìn)一步提高風(fēng)電機(jī)組LVRT能力和含風(fēng)電地方電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的有效途徑。本文初步探索將雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組撬棒（Crowbar）保護(hù)電路與動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（MSVC）進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，用以提高含風(fēng)電地方電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，并進(jìn)行了時(shí)域仿真。

1 風(fēng)電機(jī)組LVRT與MSVC的協(xié)調(diào)控制策略

1.1 IGBT型Crowbar工作原理

雙饋發(fā)電機(jī)（doubly fed induction generator，DFIG）定子直接與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流經(jīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子的磁場耦合，在組轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生過電流，使直流側(cè)母線電壓升高、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流以及有功、無功發(fā)生振蕩，損害變流器、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。必須采取必要措施限制變流器過電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和直流母線過電壓。

IGBT型Crowbar電路如圖1所示，由不可控整流橋配合一個(gè)IGBT全控器件組成。每個(gè)橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián)。直流側(cè)串入一個(gè)IGBT器件和一個(gè)旁路電阻。通過控制IGBT的觸發(fā)信號，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流。Crowbar電路在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間投入運(yùn)行，對轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的過電流提供一條旁路通道，防止過電流損壞變頻器。之后Crowbar電路配合雙PWM變頻器在故障持續(xù)期間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在故障期間讓雙饋發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出無功功率，對電網(wǎng)電壓提供支撐。帶有Crowbar電路的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障的情況下可以有效地對變頻器提供保護(hù)，并且可以迅速向電網(wǎng)饋送無功功率，使電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

圖1具備LVRT能力的DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 DFIG system configuration w ith LVRT capability

1.2 磁控型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置工作原理

磁控型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（MSVC）如圖1所示，由磁控電抗器（MCR）、固定電容器（FC）及無功補(bǔ)償控制單元3部分組成。FC提供固定的容性無功功率，MCR提供可調(diào)的感性無功功率。MCR通過改變可控硅控制角，平滑調(diào)節(jié)電抗器容量，改變MCR感性無功功率輸出。故障期間，F(xiàn)C提供一定的無功功率提高機(jī)端電壓。故障消除后，機(jī)端電壓在一段時(shí)間會(huì)繼續(xù)升高，超過正常電壓，調(diào)節(jié)MCR，提供感性無功功率降低機(jī)端電壓。正是由于MCR的可調(diào)性，將MCR+FC型SVC變成了可調(diào)的補(bǔ)償裝置，實(shí)時(shí)進(jìn)行無功功率的發(fā)出和吸收，保證機(jī)端電壓的快速恢復(fù)。與傳統(tǒng)的TCR型SVC相比，MSVC具有電氣結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、基礎(chǔ)性投資少、自身有功損耗低、可控硅不容易被擊穿、運(yùn)行穩(wěn)定可靠性高、儲(chǔ)能元件容量大、適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境等的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 風(fēng)電機(jī)組LVRT的協(xié)調(diào)控制策略

為提高機(jī)雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT能力和LVRT期間系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，MSVC和Crowbar保護(hù)電路的協(xié)調(diào)控制策略定義為2個(gè)切換模式，如圖2所示。

圖2 DFIG的LVRT協(xié)調(diào)控制策略Fig.2 LVRT coordination and control strategy of DFIG

模式1：當(dāng)機(jī)端電壓跌落較淺即高于0.6 pu時(shí)，Crowbar不投入運(yùn)行，僅依靠投入MSVC進(jìn)行無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT。

模式2：當(dāng)機(jī)端電壓低于跌落較深即低于0.6 pu時(shí)，Crowbar與MSVC共同投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的LVRT。

2 仿真算例及結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提LVRT協(xié)調(diào)控制策略，以蒙西某地區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)為例，建立30×1.5 MW風(fēng)電場接入地方電網(wǎng)的仿真模型如圖3所示。風(fēng)電場35 kV集電線路經(jīng)場內(nèi)升壓站T1將風(fēng)電機(jī)出口電壓升至110 kV，附近200 MW火電機(jī)組10.5 kV出口電壓經(jīng)主變T2升至110 kV，經(jīng)公共接入點(diǎn)（PCC）接入電網(wǎng)，風(fēng)電場、火電機(jī)組均在額定工況運(yùn)行，仿真中風(fēng)電出力約占20%。

分別采用無LVRT能力雙饋風(fēng)電機(jī)組、具有LVRT能力的安裝有源Crowbar雙饋風(fēng)機(jī)組、Crowbar和MSVC協(xié)調(diào)控制雙饋風(fēng)機(jī)組進(jìn)行仿真，t=2 s時(shí)T1高壓側(cè)母線處設(shè)置三相短路故障，短路持續(xù)625ms。風(fēng)電機(jī)組出口電壓不同控制策略下發(fā)生短路暫態(tài)過程

的電壓波形如圖4所示。

圖3 風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 W ind power synchronization configuration

圖4 不同控制策略下電壓波形Fig.4 Voltage waveform under differentcontrol strategies

另t=2 s時(shí)在T1高壓側(cè)母線處設(shè)置三相短路故障，短路持續(xù)200ms，系統(tǒng)頻率波形及附近火電機(jī)組功角特性波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同控制策略下頻率波形Fig.5 Frequency waveform under different control strategies

圖6 不同控制策略下發(fā)電機(jī)功角波形Fig.6 Power angle waveform under different control strategies

圖4中短路故障點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口，在風(fēng)電機(jī)組不具備LVRT能力時(shí)出口電壓跌落至0.6 pu，0.12 s后保護(hù)動(dòng)作將風(fēng)電機(jī)組全部切除。故障后火力發(fā)電廠強(qiáng)行勵(lì)磁啟動(dòng)，無功功率輸出迅速增加，同時(shí)PCC點(diǎn)MSVC提供無功支持，0.12 s后電壓開始恢復(fù)，經(jīng)505ms電壓恢復(fù)至正常水平。加裝Crowbar保護(hù)后，風(fēng)電機(jī)組具備了LVRT能力。故障后電壓跌落期間風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)，但風(fēng)電場有功功率傳輸能力下降。風(fēng)電機(jī)組由于慣性的原因，發(fā)出的能量不會(huì)立即減小，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速增加，變槳距角的控制啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，雙饋風(fēng)電機(jī)組開始從電網(wǎng)吸收無功，PCC點(diǎn)電壓最低跌落至0.72 pu。故障同時(shí)附近火力發(fā)電廠的有功功率輸出也嚴(yán)重下降，火力發(fā)電廠強(qiáng)行勵(lì)磁啟動(dòng)，無功功率輸出開始迅速增加。與此同時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組Crowbar在電壓跌落的瞬間投入運(yùn)行，對轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的過電流提供一條旁路通道，防止過電流損壞變頻器，Crowbar電路配合雙PWM變頻器在故障持續(xù)期間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)故障期間向電網(wǎng)輸出無功功率。火電、風(fēng)電共同增加向電網(wǎng)饋送無功功率，PCC點(diǎn)電壓629ms后逐步恢復(fù)至正常水平。采用協(xié)調(diào)LVRT控制策略后，PCC點(diǎn)電壓最低跌落至0.87 pu，故障后除火電廠強(qiáng)行勵(lì)磁和加裝Crowbar保護(hù)后共同提供無功支撐外，工作在協(xié)調(diào)控制模式2方式的MSVC也向電網(wǎng)提供無功支持，在三者無功支持下PCC點(diǎn)629ms后電壓逐步恢復(fù)至正常水平。

短路期間3種運(yùn)行方式中，協(xié)調(diào)LVRT控制在故障后向系統(tǒng)提供無功支持最大，其次為風(fēng)電機(jī)組加裝Crowbar保護(hù)后，而風(fēng)電機(jī)組無LVRT能力提供無功支持最小。因此，在電壓跌落擾動(dòng)期間協(xié)調(diào)LVRT控制運(yùn)行方式電壓跌落幅度最小，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性最優(yōu)。

由圖5中PCC點(diǎn)故障后，系統(tǒng)頻率開始下降，經(jīng)過機(jī)組調(diào)整后，系統(tǒng)頻率均可穩(wěn)定在49.8 Hz以上。其中，無LVRT能力風(fēng)電機(jī)組故障后0.12 s切除，同時(shí)火電機(jī)組輸出有功功率急劇下降，有功功率輸出瞬時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率跌落至49.31 Hz，下降程度最為嚴(yán)重。0.12 s后火電機(jī)組輸出有功功率迅速回升，頻率隨之上升，200ms后經(jīng)微弱振蕩逐步恢復(fù)正常。加裝Crowbar具備LVRT能力和協(xié)調(diào)LVRT控制風(fēng)電機(jī)組，在故障后風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行，瞬時(shí)輸出有功功率缺額較無LVRT能力風(fēng)電機(jī)機(jī)組小，系統(tǒng)頻率下降至49.46 Hz和49.6 Hz后，經(jīng)微弱振蕩逐步恢復(fù)正常。在電壓跌落期間協(xié)調(diào)LVRT控制運(yùn)行方式頻率跌落幅度最小，暫態(tài)頻率穩(wěn)定性最好。

圖6同步發(fā)電機(jī)組功角仿真曲線表明，在風(fēng)電機(jī)組不具備LVRT功能時(shí)，故障發(fā)生后風(fēng)電機(jī)組切除。火電機(jī)組輸出有功功率急劇下降，火電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)機(jī)械輸出有功功率與同步發(fā)電機(jī)輸出電磁有功功率產(chǎn)生瞬間極大不平衡，功角在40°～80°之間發(fā)生振蕩，隨故障結(jié)束逐漸恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。而加裝Crowbar具備LVRT能力和協(xié)調(diào)LVRT控制的風(fēng)電機(jī)組，在短路發(fā)生后由于PCC點(diǎn)電壓下降幅度有所緩解，從而火電機(jī)組電磁有功功率輸出明顯增加，減少了原動(dòng)機(jī)機(jī)械輸出有功功率與同步發(fā)電機(jī)輸出電磁有功功率的不平衡，電壓跌落擾動(dòng)期間正阻尼得以增強(qiáng)，抑制功角擺動(dòng)效果明顯，協(xié)調(diào)LVRT控制風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式抑制功角搖擺效果最為明顯。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段作為我國風(fēng)電場主流機(jī)型（雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組）已基本具備了LVRT功能，且風(fēng)電場升壓站低壓母線均安裝無功補(bǔ)償裝置。將雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT功能與無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制，不僅可以增強(qiáng)風(fēng)電場的LVRT能力，同時(shí)也極大提高了電網(wǎng)電壓跌落期間系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。將風(fēng)電場已配備的LVRT與無功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)配合，不失為一種提高含風(fēng)電地方電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的既經(jīng)濟(jì)、可行又十分有效的措施。

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Influence of the Coordination Controlbetween Reactive Com pensation and Low Voltage Ride Through on Electricity Grid Stability

XU Tao，ZHANGMengbing
（College of Electric Power，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010080，Inner Mongolia，China）

To improve the low voltage ride through capability of the wind turbine unit and the transient stability of the local system containing wind power during voltage drop，this paper proposes some control strategies for the crow-bar protection circuit and the magnetically controlled dynamic reactive power coordination control of the wind turbine unit.When the power grid voltage sag is shallow，the protection circuit is not put into operation，only the reactive compensation can help to realize the low voltage through for the wind turbine unit.When the grid voltage drop is deeper，both the crow-bar protection circuit and the reactive compensation device can be put into operation to improve low voltage ride through capability.The simulation results show that the proposed control strategy can significantly improve the transient stability during voltage sag.

wind farms；low voltage ride through；crowbar protextion Circuit；transient stability

2015-11-15。

徐 濤（1968—），男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

（編輯 徐花榮）

內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目（2012MS0705）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目（ZD201121）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of Inner Mongolia（2012MS0705）；Key Project Fund of Inner Mongolia University of Technology（ZD201121）.

1674-3814（2017）02-0100-04

TM614

B

張夢彬（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。