雙饋電機風電場低電壓穿越方案的研究

王 凱，朱 凌，王曉蔚

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003；2.河北省電力研究院，河北 石家莊050000）

0 引 言

近年來，風力發電得到了迅猛的發展，裝機容量率創新高。但是隨著風電容量在電網中所占比例不斷增大，其對電網的影響已經不能忽視。風電場并網準則對低電壓穿越（LVRT）提出了明確的要求，即在電網電壓跌落時，風電機組能夠實現短時不脫網運行。

雙饋風力發電機（DFIG）因其轉子電流可控，可以很好地實現變速恒頻控制及有功無功的解耦控制。憑借這些優點，DFIG漸漸取代了感應發電機成為了風電市場的主流機型。但是，也正是由于轉子變流器的存在，其LVRT能力不強，需要額外的措施來提高LVTR能力。

對于電網電壓跌落比較嚴重的情況，采用Crowbar保護電路是普遍且有效的措施。Cr owbar保護電路將轉子側變流器旁路，能夠起到快速衰減定轉子電流，保護轉子側變流器的目的，提高了其LVRT能力。但是Cr owbar的投切也帶來了一些問題，投入Cr owbar以后DFIG將按異步方式運行，需要吸收大量的無功功率；而切除Cro wbar使DFIG重新回到雙饋運行方式的過程中，DFIG需要重新建立磁場，也需要吸收大量的無功功率。這些問題無疑加重了電網的無功負擔，不能滿足風電場并網準則對LVRT無功功率的要求。因此，有必要研究采取額外的動態無功補償措施來滿足以上要求。

隨著電力電子技術的發展，SVC、STATCOM等動態無功補償設備日趨成熟且造價不斷降低，其應用也日益廣泛。本文采用STATCOM作為動態無功補償措施，研究了其在提高雙饋電機風電場LVRT能力方面的應用。

本文在借鑒文獻［1］展望的基礎上，研究了“單機機組安裝轉子Cr owbar＋風電場配備STATCOM”方案，并通過仿真分析證明了該方案的可行性。

1 風電場并網準則對LVRT的要求

LVRT是指由于電網故障引起風電場并網點電壓發生跌落時，風電機組能保持不脫網連續運行，并向電網提供一定的無功功率，支持電網電壓恢復到正常，從而穿越這個低電壓區域。其中，不脫網連續運行是針對風電場外部功率特性所做出的規定，包括有功和無功兩方面。有功方面要求包括對風電場故障期間輸出有功功率大小及故障清除后有功功率恢復速率；無功方面主要要求故障發生期間風電場能快速為電網提供無功支撐，以助于電網電壓恢復。

下面以我國為例，對風電場并網準則中對LVRT的要求進行介紹［2］。

圖1 風電場LVRT要求

基本要求：如圖1所示，風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能保證不脫網連續運行625 ms的能力，風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能保證不脫網連續運行。

有功恢復：有功功率在故障清除后應快速恢復，以至少每秒10%額定功率的功率變化率恢復至故障前的值。

動態無功支撐能力：電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落。當風電場并網點電壓處于額定電壓的20%～90%區間內時，需通過風電場注入無功電流支撐系統電壓恢復；自電壓跌落出現時刻起，該動態無功電流控制的響應時間不大于80 ms，并能持續600 ms。

2 基于Crowbar的LVRT技術

基于Cr owbar的LVRT技術是目前風電制造商主要采用的方法。圖2給出一種典型的Cr owbar拓撲結構。Crowbar保護的基本原理是為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網故障出現電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發電機轉子側變流器，同時投入轉子回路的旁路保護裝置，達到限制通過轉子側變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發電機不脫網運行。

圖2 典型的Crowbar拓撲結構

為了說明Crowbar對DFIG的作用，本文在MATLAB中搭建了仿真模型，并做了以下的仿真分析。

（1）Cr owbar的作用

不妨設電網在0.2 s時發生機端三相短路故障，電網電壓跌落至零，通過對比有無Cro wbar的DFIG的動態響應可說明Cr owbar的作用。圖3是轉子短路電流的變化情況，圖4是直流母線電壓的變化情況。

圖3 轉子短路電流

圖4 直流母線電壓

由圖3轉子電流波形可見，無Crowbar保護時，故障發生后轉子電流數值較大且基本不衰減；有Crowbar保護時，故障發生后轉子電流迅速衰減，最后衰減至零。

由圖4直流母線電壓可見，無Crowbar保護時，直流母線電壓急劇上升，最后穩定在5 p.u.附近，這是由于轉子電流不斷對其電容充電的結果；有Cr owbar保護時，直流電容器電壓穩定在1 p.u.附近，這是由于轉子側變流器觸發脈沖封鎖，轉子短路電流經Cr owbar放電，不再流經轉子側變流器的結果。

由此可知，在電網故障時，DFIG轉子短路電流迅速增加，若無Cr owbar保護，轉子短路電流基本不衰減，很短的時間內就會燒毀轉子側變流器并造成直流電容過電壓；而在Cr owbar的作用下，轉子短路電流不再流經轉子側變流器，保護了轉子側逆變器和直流電容器，并且轉子短路電流也會在Cr owbar的作用下迅速衰減，將多余的能量釋放掉。

在電網故障期間，由于Crowbar的作用DFIG能得到有效的保護，實現了短時不脫網運行，即實現了LVRT的基本要求。

（2）Crowbar投切帶來的問題

為了考察Crowbar投切帶來的問題，做仿真分析如下：

電網電壓分別跌落至0.2 p.u.、0.5 p.u.。在電網電壓跌落瞬間投入Crowbar，觀察無功功率的變化情況。電網故障發生在0.2 s時刻，并在0.6 s時刻清除。無功功率的變化如圖5所示。

圖5 無功功率

從圖5中可以看出，在0.2 s電網電壓跌落瞬間，DFIG由于機組磁場儲能釋放，發出了大量無功功率，有力的支撐了電網電壓；但是由于Crowbar的投入，很短的時間以后，DFIG將處于異步運行狀態，開始吸收大量的無功功率，加重了電網的無功負擔。在0.6 s電網故障清除以后，DFIG需重新進入雙饋運行狀態，Cr owbar需切除，這時由于需要重新建立磁場，也會吸收大量的無功功率［3］。

由此可知，只有電網電壓跌落瞬間，DFIG發出了無功功率，支撐了電網電壓。之后的故障時間內以及Cr owbar切除的時候，DFIG均需要吸收大量的無功功率，加重了電網的無功負擔，不能滿足并網準則對LVRT過程動態無功支撐的要求。

綜上所述，在電網故障期間，Cr owbar能有效地保護DFIG，使其能夠實現短時不脫網運行，滿足LVRT的基本要求；但是，Cr owbar的投切，加重了電網的無功負擔，不能滿足并網準則對LVRT過程動態無功支撐的要求。因此，電網故障時既需要Cr owbar來保護DFIG，也有必要采取額外的無功補償措施。

3 STATCOM對提高雙饋電機風電場LVRT能力的作用

在風電場并網點并聯的動態無功補償設備，相當于一個可控無功功率源。在電網發生故障導致風電場并網點電壓發生跌落時，通過控制動態無功補償設備可向電網注入一定無功電流。依據電力系統參數的差異和故障發生點的遠近，借助于線路阻抗的存在，可在不同程度上提升風電場并網點的電壓。從而將風電場與電網故障隔離開，提高風電場的LVRT能力。本文選取STATCOM作為動態無功補償設備，研究其對提高雙饋電機風電場LVRT能力的作用。

（1）基本原理與控制策略

STATCOM的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償［4，5］。其接入三相電網的結構如圖6所示。

圖6 STATCOM的基本結構

本文采用電壓外環和電流內環的STATCOM控制策略，如圖7所示。U1控制無功電流的給定，Udc控制有功電流的給定。從外部控制策略來看，就是為了維持出口電壓為給定電壓，來控制STATCOM發出還是吸收無功功率。

圖7 STATCOM的控制框圖

（2）仿真分析

為了說明STATCOM在提高雙饋電機風電場LVRT能力的作用，本文在MATLAB中搭建了仿真模型如圖8所示。風電場由20臺1.5 MW雙饋發電機組成，每臺發電機均配備Cr owbar保護裝置，發電機機端電壓為690 V，經風電場變壓器T1升至35 k V，然后通過30 k m傳輸線接入電網，再經過變壓器升壓至110 k V，最后經雙回線接入無窮大系統。將額定容量為15 MW的STATCOM接在變壓器T1高壓側，這里可看做風電場出口。

圖8 帶STATCOM的雙饋電機風電場

仿真分析如下，在0.2 s時刻變壓器T2低壓側發生三相短路故障，DFIG瞬時投入Cro wbar保護，在0.4 s時刻清除故障，瞬時切除Cr owbar，觀察STATCOM無功功率、風電場出口電壓及風電場總的無功功率變化情況，其仿真結果分別如圖9、圖10和圖11。

圖9 STATCOM發出無功

圖10 風電場出口電壓

圖11 風電場總無功

由圖9可見，STATCOM在故障期間仍能發出大量無功功率；故障切除后，無功功率驟增，這是由于電網電壓的逐漸恢復，STATCOM產生無功功率的能力增強；之后由于電網電壓的進一步恢復，在電壓外環的控制下，發出無功功率逐步減小，最后穩定在零附近。

由圖10可見，由于STATCOM的無功補償作用，電網電壓的跌落深度比無補償時要小，電網電壓的恢復速度要快。

由圖11與圖5對比可知，故障期間由于STATCOM 的無功補償作用，從整個雙饋電機風電場來看，是發出了大量的無功功率，滿足了并網準則對無功功率的要求。在故障清除以后，隨著電網電壓的恢復，STATCOM 發出無功的能力變強，但是同時Crowbar保護切除，DFIG需要重新建立磁場，恢復雙饋運行狀態，這會吸收較多的無功功率。因此，總的來看這個過程中風電場需要吸收無功功率，之后隨著系統電壓恢復正常以及DFIG重新正常運行，無功功率基本變為零。

故障清除瞬間，雙饋電機風電場需要吸收無功功率，這可以通過提高STATCOM容量來加以改善，但考慮到設備造價問題，不建議采用。折中的方法可以采取Crowbar分批切除的措施，雙饋機組分批恢復雙饋運行狀態，將大量吸收無功功率的過程岔開，這就能滿足并網準則對LVRT無功功率的要求。

總的來說，采用STATCOM作為動態無功補償措施，可以提高雙饋電機風電場出口電壓的穩定性，改善風電場總的無功功率特性，使雙饋電機風電場滿足LVRT的無功功率要求。

4 結 論

采用“單機機組安裝轉子Cr owbar＋風電場配備STATCOM”方案，既能實現單機的LVRT，又能滿足風電場總的動態無功要求，可以很好實現雙饋電機風電場的LVRT要求。

［1］ 楊 耕，鄭 重.雙饋型風力發電系統低電壓穿越技術綜述［J］.電力電子技術，2011，45（8）：32－36.

［2］ 國家電網公司，Q／GDW392－2009.風電場接入電網技術規定［S］.2009.

［3］ 徐殿國，王 偉，陳 寧.基于橇棒保護的雙饋電機風電場低電壓穿越動態特性分析［J］.2010，30（22）：29－36.

［4］ 石新春，楊京燕，王 毅.電力電子技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］ 吳 杰，孫 偉，顏秉超.應用STATCOM提高風電場低電壓穿越能力［J］.2011，39（24）：47－51.