風電場低電壓穿越和短路電流仿真與分析

雷 鳴，廖大鵬，游大寧，劉 軍

（山東電力調度控制中心，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著風電、光伏等發電成本的下降，可再生能源發電在電源結構中的占比逐漸提高，風力發電的規模也在逐漸增長。大規模風電并網給電網安全運行帶來的影響也是不可忽視的。

在構建風電場考慮風電機組的機型時，雙饋感應發電機成為首選，因為它具備有功和無功功率獨立控制、可變速運行及勵磁變流器容量小等特征［1］。而對于沒有低電壓穿越（LVRT）能力的風電機組，當電網電壓降低到一定值時，為了保護風力發電設備的安全，風力發電機組會自動脫網，這在風力發電所占比例不高的電網中是可以接受的，但隨著風電裝機容量的不斷增加，大規模風力發電機組的脫網會造成電網電壓和頻率的崩潰，引發更加嚴重的電網事故［2］。 隨著風電并網規模不斷增加，接入電網的大容量風電機組能夠在電網故障下不間斷并網運行對于整個電力系統的安全穩定是十分重要的，因此，越來越多的國家在其風電并網導則中明確要求風電機組必須具備低電壓穿越能力［3-4］。

本文采用某一地區的實際電網模型，以某一風電場為基礎，運用PSCAD仿真分析軟件，對風電場低電壓穿越及其對故障點短路電流的影響進行分析。

1 算例描述

該地區地處渤海海峽，具有天然的充足的風力資源，目前地區境內已有5個風電場運行，其中，風電場1（27.2 MW）經110 kV海底電纜與主網并列，風電場2（33.45 MW）則梯次接入110 kV變電站1號主變壓器中低壓側，為了研究電網故障對風電場的影響及風機的低電壓穿越特性及其對故障點短路電流的影響，將該地區所有風電場在PSCAD仿真環境中用1臺風機等值，不考慮風電場內部所造成的損耗，風機模型采用雙饋風機模型。等值后的系統圖如圖1所示。

圖1 仿真模型

2 風電場低電壓穿越仿真分析

2.1 穩態情況下風電場運行情況

風機額定容量為1MW，風速設為11.5m/s，首先，在穩態情況下對風電場并網的運行情況進行仿真。

圖2所示為穩態運行情況下，并網線路上的傳輸功率和電壓，可見，在風速11.5 m/s時，風機輸出有功為1 MW，而由并網線路向系統傳輸的無功功率為15 Mvar左右，這是由于電纜的充電功率造成的，電纜發出的充電功率隨運行電壓在15～18 Mvar之間變化。

圖2 穩態情況下并網線路傳輸功率、電壓波形

圖3為機端有功、無功及電壓曲線，本模型中雙饋風機運行功率因數為1.0，即穩態情況下既不發出也不吸收無功。機端額定電壓為0.69 kV。

圖4中Ir為雙饋風機轉子電流；S1為Crowbar電路控制信號，1為接入，0為切除；Ecap為變流器直流母線電壓。

2.2 電網故障時風機的LVRT特性

在110 kV變電站母線處設置三相短路故障，故障持續時間0.4 s。風機采用Crowbar保護電路實現低電壓穿越，Crowbar電阻取4 Ω，其結構如圖5所示。

圖3 穩態情況下機端有功、無功及電壓波形

圖4 穩態情況下轉子電流及直流母線電壓

圖5 Crowbar保護電路模型

仿真結果如圖6～圖8所示。

圖6 三相短路故障時傳輸線功率、電壓波形

圖6中，由于并網線路的電壓跌落100%，電纜充電功率隨運行電壓變化為0，所以故障期間并網線路上的無功功率為零。

圖7 三相短路故障時機端功率、電壓波形

從圖7可以看出，三相短路故障使機端電壓跌落100%，在2.4 s故障切除后，雙饋風機從電網吸收無功以恢復磁鏈。

圖8 三相短路故障時轉子電流及直流母線電壓波形

S1為Crowbar保護電路控制信號，通過一個滯環比較器產生，滯環比較器的帶寬大小決定著轉子變流器電流能否準確限定在極限值以下，理論上帶寬越小越好，但帶寬太小會使IGBT開關頻率過高，影響Crowbar電路穩定性，本仿真中，設轉子電流大于1 kA時接入保護電路以保護變流器，小于0.5 kA時將保護電路切除并使變流器恢復導通。

Crowbar電路接入期間，變流器直流母線電壓如圖8所示，Crowbar電路切除后，變流器接入，電容向轉子側變流器放電，直流母線電壓下降。

2.3 Crowbar阻值對LVRT效果的影響

以上三相短路故障分析中，Crowbar阻值為4 Ω，現將其增大為20 Ω進行仿真，所得機端無功與轉子電流波形如圖9所示。

圖9 Crowbar電阻20 Ω時機端功率、轉子電流波形

對比Crowbar電阻為4 Ω時的轉子電流可知，Crowbar阻值增大能夠有效的抑制轉子側的短路電流。

3 LVRT對故障點短路電流的影響

3.1 110 kV母線故障

3.1.1 三相短路故障

當風機具備低電壓穿越能力時，測得故障點短路電流波形如圖10所示（以A相為例）。

圖10 110 kV母線三相短路故障點短路電流波形

短路電流的最大值在故障發生后半個周期時出現，由圖10可知，當風機具備電壓穿越能力時，故障點短路電流最大值為14.98 kA。

若風機不具備低電壓穿越能力，故障發生時，為了保護設備安全，風電機組被切除，此時的故障點短路電流波形如圖11所示，故障點的最大短路電流為15.02 kA。

圖11 風機切機后故障點短路電流波形

3.1.2 兩相短路故障

風機具備LVRT能力，故障點短路電流波形為圖12所示。

圖12 風機低電壓穿越期間故障點短路電流

當110 kV母線發生兩相短路故障，風機具備低電壓穿越能力時，故障點短路電流的最大值為12.84kA。

圖13為風機不具備低電壓穿越能力的短路電流波形。當110 kV母線發生兩相短路故障，風機切機后，故障點的最大短路電流為12.81 kA。

3.2 機端故障

3.2.1 三相短路故障

風機具備低電壓穿越能力，故障點短路電流波形如圖14所示。故障點短路電流最大值為5.60 kA。

圖13 兩相短路故障風機切機后短路電流波形

圖14 機端三相短路故障時低穿期間短路電流波形

風機不具備低電壓穿越能力，故障時切機，短路電流波形如圖15所示。其短路電流最大值為5.56 kA。

圖15 短路故障切機后故障點短路電流波形

3.2.2 兩相短路

風機具備低電壓穿越能力，故障點短路電流波形如圖16所示。短路電流最大值為4.80 kA。

圖16 機端兩相短路風機低穿期間短路電流波形

圖17 機端兩相短路風機切機短路電流波形

風機不具備低電壓穿越能力，故障時切機，其短路電流波形如圖17所示。其短路電流最大值為4.76 kA。

4 結語

風機低電壓穿越期間向故障點提供短路電流，風電場提供的短路電流的大小與故障點位置同風電場的電氣距離有關。相同類型的故障，越接近風電場，風電場提供的短路電流越大，同時，系統貢獻的短路電流越小。

故障點短路電流的大小與故障類型和故障點位置有關。相同類型的故障，越靠近電網，短路電流越大；相同位置的故障，三相短路故障引起的短路電流最大。

［1］ Tao Sun，Z Chen.Transient Analysis of Grid 一 Connected Wind Turbines With DFIG after An External Short Circuit Fault ［C］.Nordic Wind Power Conference，l-2，MARCH，2004，1-6.

［2］ 李欣.風電機組的短路電流特性及低電壓穿越研究［D］.北京：華北電力大學，2009.

［3］ 李曉濤.并網型風電場的短路電流計算及低電壓穿越能力分析［D］.北京：華北電力大學，2011.

［4］ 王偉，孫明冬.米曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析［J］.電力系統自動化，2007，31（23）：84-89.