雙饋風(fēng)機(jī)低穿及保護(hù)策略對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響分析

高杉雪，司大軍，孫鵬，游廣增，何燁，黃潤(rùn)，陳姝敏，胡澤江，胡馨

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650200； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

隨著“雙碳目標(biāo)”提出，大量化石能源逐步被風(fēng)電、光伏等新能源替代，當(dāng)新能源占比攀升至較高比例時(shí)，新能源特別是風(fēng)機(jī)在低電壓穿越期間的控制及保護(hù)策略將對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。雙饋風(fēng)機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)由于發(fā)電效率高、可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的主力機(jī)型[1]。但由于定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，DFIG對(duì)電壓變化十分敏感。當(dāng)電網(wǎng)電壓突變時(shí)，由于定子磁鏈不可突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)流和過(guò)壓，風(fēng)機(jī)內(nèi)部保護(hù)動(dòng)作后脫網(wǎng)，故障穿越失敗[2]。為此國(guó)家提出了《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定GB_T 19963.1》[3]、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越測(cè)試能力規(guī)程 GB-T36995》[4]等多項(xiàng)規(guī)定，對(duì)風(fēng)機(jī)故障穿越能力提出要求。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)程對(duì)DFIG故障穿越能力的規(guī)定，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況，分析了雙饋風(fēng)機(jī)低穿策略及保護(hù)策略中對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響較大的關(guān)鍵因素。DFIG的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中RSC為機(jī)側(cè)變流器，GSC為網(wǎng)側(cè)變流器，轉(zhuǎn)子Crowbar為與轉(zhuǎn)子并聯(lián)的保護(hù)電路。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

1 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)現(xiàn)狀

分析采用某末端區(qū)域電網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)內(nèi)電源較少且以小水電為主，在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)4座，區(qū)域負(fù)荷較重，正常運(yùn)行中需主網(wǎng)注入大量潮流。區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架如圖2所示，以A風(fēng)電場(chǎng)為例開(kāi)展分析，風(fēng)機(jī)參數(shù)取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 區(qū)域網(wǎng)架圖

2 低穿策略對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響分析

風(fēng)機(jī)低電壓穿越期間控制策略按滿(mǎn)足低穿曲線（見(jiàn)圖3）要求制定，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)對(duì)稱(chēng)故障及不對(duì)稱(chēng)故障下風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功電流值、無(wú)功電流輸出及退出響應(yīng)時(shí)間等做了規(guī)定。本章主要針對(duì)DFIG低穿策略中對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)開(kāi)展仿真分析，詳見(jiàn)后文。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

2.1 故障后風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間

為提高故障期間風(fēng)機(jī)對(duì)電壓的支撐能力，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確了當(dāng)發(fā)生對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落出現(xiàn)時(shí)刻起，風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功電流上升時(shí)間不大于60 ms。

仿真中將風(fēng)電場(chǎng)A中雙饋風(fēng)機(jī)低穿策略中無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間分別置為2 ms（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值）和60 ms，B-C線路故障N-1相關(guān)曲線見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 不同無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間下風(fēng)機(jī)無(wú)功功率

圖5 不同無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間下風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓

如圖所示，若電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓跌落后進(jìn)入低穿狀態(tài)時(shí)，風(fēng)機(jī)故障穿越的無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間越短，故障期間風(fēng)機(jī)提供無(wú)功支撐的速度越快，對(duì)電網(wǎng)母線電壓跌落的支撐效果越好。同時(shí)需注意的是，若網(wǎng)側(cè)發(fā)生無(wú)需外界干擾即可自動(dòng)恢復(fù)的電壓波動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)端母線電壓隨之波動(dòng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間過(guò)短可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)快速進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)并輸出容性無(wú)功電流，反而會(huì)加大電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

2.2 低穿期間輸出容性無(wú)功電流值

《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 GB_T 19963.1》[3]規(guī)定對(duì)稱(chēng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功電流增量應(yīng)響應(yīng)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓變化，并滿(mǎn)足式(1)：

式中：ΔIt為風(fēng)電場(chǎng)注入動(dòng)態(tài)無(wú)功電流增量；K1為風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功電流比例系數(shù)，取值范圍應(yīng)不小于1.5，宜不大于3；Ut為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)么值；IN為風(fēng)電場(chǎng)額定電流。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，風(fēng)機(jī)低穿期間輸出容性無(wú)功電流比例系數(shù)在1.5～3內(nèi)可調(diào)?；诖耍抡嫘薷臋C(jī)組低穿期間無(wú)功調(diào)整系數(shù)為1.65 p.u.、3 p.u.，B-C線路故障N-1機(jī)組輸出無(wú)功功率、機(jī)端母線電壓曲線見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 機(jī)組無(wú)功功率

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓

如圖所示，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取值范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功電流比例系數(shù)越大，同一電壓跌落深度下風(fēng)機(jī)無(wú)功功率調(diào)整速度越快，同一時(shí)刻機(jī)組輸出無(wú)功功率越多，低穿期間對(duì)網(wǎng)側(cè)母線電壓的支撐效果越好。

2.3 退出低穿狀態(tài)時(shí)刻狀態(tài)切換

由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)風(fēng)機(jī)退出低電壓穿越后的無(wú)功功率恢復(fù)提出具體要求，不同風(fēng)機(jī)廠家對(duì)恢復(fù)階段有不同處理。在風(fēng)機(jī)低穿狀態(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)間切換方式處理上，本次分析采用的雙饋機(jī)組在兩狀態(tài)切換時(shí)刻存在無(wú)功電流階躍變化（從輸出容性電流到吸收容性容性電流），如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)無(wú)功功率

將含此階躍變化的雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)帶入進(jìn)行仿真后，B-C線路故障N-1后風(fēng)機(jī)無(wú)功功率及并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)側(cè)母線電壓曲線見(jiàn)圖9。

圖9 仿真中風(fēng)機(jī)無(wú)功功率及并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓

由圖可知，若風(fēng)機(jī)退出低電壓穿越狀態(tài)時(shí)刻無(wú)功電流存在如圖6所示階躍，當(dāng)風(fēng)機(jī)第一次退出低穿狀態(tài)時(shí)刻，風(fēng)機(jī)由輸出容性無(wú)功電流瞬間變?yōu)槲杖菪詿o(wú)功電流，此時(shí)機(jī)端電壓隨之降低至風(fēng)機(jī)低穿門(mén)檻電壓之下，風(fēng)機(jī)再次啟動(dòng)低電壓穿越策略輸出容性無(wú)功電流，電壓隨之恢復(fù)，到下一個(gè)低穿狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻再重復(fù)上述過(guò)程。

由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備至少2次低電壓穿越能力，對(duì)風(fēng)機(jī)低穿次數(shù)的上限無(wú)規(guī)定，若風(fēng)機(jī)策略中不設(shè)置其進(jìn)低穿次數(shù)上限，則上文描述的過(guò)程將一直循環(huán)，風(fēng)機(jī)無(wú)功功率在輸出容性無(wú)功功率和吸收無(wú)功功率間持續(xù)波動(dòng)，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓也持續(xù)波動(dòng)，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。

2.4 低穿結(jié)束后無(wú)功功率恢復(fù)方式

同樣地，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)風(fēng)機(jī)退出低電壓穿越后的無(wú)功功率恢復(fù)提出具體要求，不同風(fēng)機(jī)廠家對(duì)恢復(fù)階段無(wú)功功率有不同處理，常見(jiàn)的方式主要有無(wú)功功率直接恢復(fù)和按一定時(shí)間恢復(fù)。

將無(wú)功功率恢復(fù)方式分別設(shè)為直接恢復(fù)和按一定時(shí)間恢復(fù)，同一故障下風(fēng)機(jī)無(wú)功功率和并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓曲線見(jiàn)圖10和圖11。由圖可知，由于風(fēng)機(jī)低穿期間輸出容性無(wú)功功率，若低穿結(jié)束后無(wú)功功率不采用一定時(shí)間恢復(fù)而是立即恢復(fù)，則此時(shí)風(fēng)機(jī)輸出容性無(wú)功功率變化量較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓隨之出現(xiàn)小幅跌落（具體跌落程度取決于無(wú)功功率變化量），不利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

圖10 風(fēng)機(jī)無(wú)功功率曲線

圖11 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓曲線

3 Crowbar保護(hù)策略對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響分析

由DFIG基本結(jié)構(gòu)圖可知，DFIG由于定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)故障電壓跌落時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)定子電流增大，繼而在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出過(guò)電流和過(guò)電壓，造成電磁轉(zhuǎn)矩劇烈變化，對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生很大的應(yīng)力沖擊[5]。這種由于電網(wǎng)側(cè)電壓跌落導(dǎo)致的DFIG轉(zhuǎn)子不平衡能量經(jīng)機(jī)側(cè)變換器后，一部分通過(guò)網(wǎng)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)，剩余部分作用于直流側(cè)電容對(duì)其充電，使得直流母線電壓快速上升，導(dǎo)致?lián)Q流器、直流側(cè)電容和風(fēng)機(jī)定子及轉(zhuǎn)子的損壞，進(jìn)而引發(fā)多臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)連鎖故障反應(yīng)后威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

為避免DFIG在電網(wǎng)側(cè)電壓跌落后出現(xiàn)上述現(xiàn)象，一般配置Crowbar或Chopper保護(hù)抑制過(guò)流和過(guò)壓。Crowbar保護(hù)是一種在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器上并聯(lián)帶Crowbar電阻的過(guò)電流/過(guò)電壓保護(hù)電路[6]，Chopper保護(hù)則是并聯(lián)在直流側(cè)電容兩側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)電路。Crowbar一般以轉(zhuǎn)子電流或直流電容器兩端電壓升高為保護(hù)電路動(dòng)作條件，動(dòng)作后相當(dāng)于短接了DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器，阻斷了不平衡能量的傳輸，可從一定程度避免電網(wǎng)側(cè)電壓跌落后過(guò)電流和過(guò)電壓導(dǎo)致的設(shè)備損壞。但Crowbar保護(hù)投入后相當(dāng)于DFIG的RSC被短接，風(fēng)機(jī)輸出有功功率及無(wú)功功率突變，電網(wǎng)側(cè)電壓及頻率將產(chǎn)生更加劇烈的波動(dòng)，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。綜上，下文通過(guò)仿真分析Crowbar保護(hù)相關(guān)參數(shù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

3.1 Crowbar對(duì)應(yīng)電阻阻值影響

Crowbar保護(hù)對(duì)應(yīng)電阻值大小對(duì)降電流、降直流側(cè)電壓效果有較大影響：若Crowbar對(duì)應(yīng)阻值較小可能起不到衰減轉(zhuǎn)子過(guò)電流的作用；若Crowbar對(duì)應(yīng)阻值較大雖然會(huì)加快轉(zhuǎn)子電流衰減速度，但同時(shí)也可能造成直流母線電壓振幅增大，造成風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率、有功功率波動(dòng)更劇烈，進(jìn)而引起網(wǎng)側(cè)母線電壓、頻率的劇烈波動(dòng)。

為分析Crowbar對(duì)應(yīng)阻值大小對(duì)風(fēng)機(jī)外特性乃至對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，本文根據(jù)Crowbar對(duì)應(yīng)阻值取值公式（式(2) ～式(4)）[7]估算了仿真采用的雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar對(duì)應(yīng)阻值，詳見(jiàn)下文。

Crowbar對(duì)應(yīng)阻值Re整定范圍內(nèi)的最小值：

Crowbar對(duì)應(yīng)阻值Re整定范圍內(nèi)的最大值：

式中：Us為定子電壓幅值（相電壓峰值）；Udc為直流母線正常工作上限值；Lδ為定轉(zhuǎn)子總漏磁，Lδ=Lδs+Lδr；Isafe一般取1.2倍轉(zhuǎn)子額定電流；ωs為同步電機(jī)角速度。

由于Crowbar對(duì)應(yīng)阻值應(yīng)在最佳范圍內(nèi)盡量取大值，考慮安全裕度后Crowbar對(duì)應(yīng)阻值計(jì)算公式為：

式中：λ為安全裕度，一般取0.9～0.95。

仿真中采用Crowbar對(duì)應(yīng)電阻值計(jì)算采用參數(shù)如表1所示。

表1 Crowbar對(duì)應(yīng)阻值計(jì)算參數(shù)取值

采用式(4)及表1參數(shù)估算得到仿真采用雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar對(duì)應(yīng)電阻值較合理值應(yīng)為0.2647 p.u.。將其與風(fēng)機(jī)Crowbar對(duì)應(yīng)電阻實(shí)測(cè)值1.128 p.u.以及另取的較大值2 p.u.及較小值0.0001 p.u.一起開(kāi)展對(duì)比仿真分析，故障采用B-C線路故障N-1，故障后相關(guān)曲線見(jiàn)圖12～圖15。

圖12 不同Crowbar對(duì)應(yīng)阻值下機(jī)組無(wú)功功率對(duì)比

圖13 不同Crowbar對(duì)應(yīng)阻值下機(jī)組有功功率對(duì)比

圖14 不同Crowbar對(duì)應(yīng)阻值下風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓

圖15 不同Crowbar對(duì)應(yīng)阻值下風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)母線頻率

由圖可以看出，采用估算的Crowbar對(duì)應(yīng)電阻值后，相同故障下比其余電阻值來(lái)說(shuō)對(duì)故障后DFIG有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)抑制效果更好，電網(wǎng)電壓波動(dòng)及頻率波動(dòng)更小。

3.2 Crowbar動(dòng)作后退出的轉(zhuǎn)子電流值/退出時(shí)間影響

為仿真Crowbar動(dòng)作后退出時(shí)間與故障清除時(shí)間先后關(guān)系對(duì)風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率、有功功率、并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓、頻率的影響，在其余參數(shù)一致（參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2）前提下，修改Crowbar動(dòng)作后退出的轉(zhuǎn)子電流值為0.1 p.u.，0.444 p.u.，1.5 p.u.，使其分別對(duì)應(yīng)故障清除后較長(zhǎng)時(shí)間后退出、故障清除后較短時(shí)間后退出、故障清除前退出3種情況，仿真相關(guān)曲線見(jiàn)后圖16～19。

圖16 機(jī)組無(wú)功功率

表2 Crowbar保護(hù)參數(shù)

圖17 并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)側(cè)母線電壓

圖18 機(jī)組有功功率

圖19 并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)側(cè)母線頻率

由圖可知Crowbar動(dòng)作后退出的轉(zhuǎn)子電流值和Crowbar返回判斷直流電壓的時(shí)間一起確定了Crowbar退出時(shí)間與故障清除時(shí)間的先后關(guān)系。當(dāng)判斷時(shí)間相同時(shí)，Crowbar動(dòng)作后退出的轉(zhuǎn)子電流值越小，Crowbar動(dòng)作后退出時(shí)間在故障清除時(shí)間之后的概率越大。

仿真中Crowbar動(dòng)作后退出的轉(zhuǎn)子電流值與其對(duì)應(yīng)的退出時(shí)序關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 Crowbar返回電流值與退出時(shí)序?qū)?yīng)表

綜上可知：

1）若Crowbar在故障清除前（含清除時(shí)刻，返回電流值1.5 p.u.）退出，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器重新投入，風(fēng)機(jī)按低穿策略輸出無(wú)功功率突增，第二次引起低穿期間無(wú)功功率擾動(dòng)，進(jìn)而影響并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)側(cè)母線電壓、頻率劇烈波動(dòng)。

2）若Crowbar在故障清除后（較長(zhǎng)時(shí)間或較短時(shí)間）退出，則在故障清除至Crowbar退出時(shí)間段內(nèi)風(fēng)機(jī)將向電網(wǎng)吸收容性無(wú)功，吸收容性無(wú)功大小及時(shí)長(zhǎng)與故障切除時(shí)刻風(fēng)機(jī)狀態(tài)及Crowbar退出時(shí)間相關(guān)，存在導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁進(jìn)出低穿及高穿狀態(tài)、Crowbar頻繁投退可能性，但總的來(lái)說(shuō)引起的電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率波動(dòng)較Crowbar在故障清除前退出情況下波動(dòng)更小。

對(duì)實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行的DFIG，若風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)保護(hù)定值能配合Crowbar動(dòng)作后的退出轉(zhuǎn)子電流值，在不損壞設(shè)備的前提上使Crowbar保護(hù)在故障清除后再退出，能有效降低故障后由于Crowbar保護(hù)存在導(dǎo)致DFIG對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)的不利影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析并采用仿真驗(yàn)證了DFIG低穿策略、Crowbar保護(hù)策略相關(guān)邏輯參數(shù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，提出以提高電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程穩(wěn)定性為目標(biāo)的DFIG相關(guān)參數(shù)優(yōu)化方向。從風(fēng)機(jī)角度為后續(xù)大規(guī)模新能源接入后電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐，對(duì)電網(wǎng)順利接納大規(guī)模新能源提供支撐。