具有低電壓穿越能力的雙饋風電場故障特性分析

閻 智，林雪峰

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇，風電并網容量占系統(tǒng)容量的比例也越來越大，風電接入對電力系統(tǒng)繼電保護的影響也越來越不容忽略。雙饋式風力發(fā)電機由其優(yōu)越性成為主流機型廣泛應用于風電場。雙饋風電機組的特殊結構和控制策略，導致其故障特性與常規(guī)發(fā)電機的故障特性存在明顯差異。而其低電壓穿越特性及具備LVRT的雙饋風電機組故障特性更值得研究。

本文針對傳統(tǒng)Crowbar電路的弊端提出一種有別于傳統(tǒng)Crowbar電路保護的雙饋風電機組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風電場模型，仿真驗證了雙饋風電場具備低電壓穿越能力及控制策略的優(yōu)越性。并仿真研究了雙饋風電場不同故障類型下的故障特性，研究結果表明傳統(tǒng)轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯(lián)絡線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯，這對故障選相元件將會受到嚴重影響。

1 雙饋風電機組控制策略

1.1 轉子側變換器的矢量控制

轉子側采用定子磁鏈定向矢量控制，d軸沿定子磁場方向,定子磁通的q軸分量為零,則usd=0，usq=Us。忽略定子側電阻,定子有功功率Ps和無功功率Ps為：

由式轉子側的電流分量iqr、idr可以分別控制定子側的有功功率Ps和無功功率Ps，從而實現(xiàn)了發(fā)電機定子有功與無功的解耦控制，使定子側輸出恒定的電壓和穩(wěn)定的頻率。雙饋發(fā)電機轉子變流器矢量控制結構圖見圖1。

1.2 網側變換器的矢量控制

網側采用定子電壓定向矢量控制，d軸沿定子電壓方向，q軸在旋轉方向上超前d軸90°，則ud=us，uq=0，進而可以得到電網側變換器與電網交換的有功與無功表達式如下：

圖1 雙饋發(fā)電機轉子變流器矢量控制結構圖

式中：igd、igq為網側變換器電流在d、q軸上的分量。

由上式(1)－(4)可知，通過調節(jié)igd、igq可控制網側輸出的有功、無 功功率。網側逆變器滿足網側電壓定向矢量控制的原理見圖2。

圖2 雙饋電機網側變流器控制原理框圖

1.3 轉子 Crowbar 電路

目前雙饋風電機組較多的采用Crowbar 電路實現(xiàn)LVRT，見圖3。在故障期間Crowbar電路觸發(fā)將轉子變流器短接，保護變流器，從而實現(xiàn)機組的不間斷運行。

圖3 轉子Crowbar電路

2 雙饋風電機組及低電壓穿越策略

利用DC－Chopper代替Crowbar，在故障時可以較好的起到保護直流側電容和轉子側變流器的作用。在故障情況下通過對轉子側變流器進行解耦控制，控制定子側給電網提供一定無功支持，實現(xiàn)故障穿越。其系統(tǒng)結構框圖見圖4。

圖4 DFIG實現(xiàn)故障穿越系統(tǒng)結構框圖

2.1 直流卸荷電阻模塊

卸荷電路由IGBT和卸荷電阻串聯(lián)構成。工作原理為：當Udc大于Udc-max時，卸荷電阻快速投入；當Udc小于Udc-max時，直流卸荷電阻快速切出。在PSCAD/EMTDC中構建模型，其中卸荷電阻和直流電壓的參數(shù)為：R=0.6Ω，Udc-max=1.1p.u。其中電阻的參數(shù)由Udc-max和ΔP決定(R=U2dc-max/ΔP，式中ΔP為功率流動偏差，Udc-max為母線最大電壓。

2.2 轉子側變流器無功控制策略

本文采用DC－Chopper代替Crowbar，因此變流器在故障期間沒有切除。故障過程中，網側變流器運行在變功率因數(shù)狀態(tài)，向電網提供部分容性無功支撐；故障切除后，轉子變流器恢復單位功率因數(shù)控制，風電機組迅速恢復至穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)低電壓穿越。控制策略見圖5。

圖5 轉子側變流器無功控制控制策略

風電正常并網時，無功電流的給定值為i1q=0，只給電網發(fā)出有功功率;當電網發(fā)生故障時，網側逆變器立即切換為靜止無功補償模式，向電網發(fā)出一定的無功，從而穩(wěn)定電網電壓，有助于風電機組的低電壓穿越。

3 具有LVRT的雙饋風電場故障特性

3.1 具有LVRT的雙饋風電場建模

在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建雙饋風電機組及雙饋風電場仿真模型，風電場由5臺雙饋風電機組構成，單臺雙饋風電機組參數(shù)見表1。系統(tǒng)容量為200 MVA，系統(tǒng)正序阻抗為1.31pu仿真風速為12 m/s。搭建模型見圖6。低電壓穿越仿真結果見圖7。

表1 雙饋風電機組參數(shù)

仿真結果表明，傳統(tǒng)的Crowbar控制策略無法在電壓跌落跌落程度較嚴重的情況下無法實現(xiàn)低電壓穿越，而本文采取的控制策略可以實現(xiàn)低電壓穿越。

3.2 具有LVRT的雙饋風電場故障特性

在t =0.8 s時風電場聯(lián)絡線上距離風電場側40 km處發(fā)生單相接地、兩相接地、兩相和三相接地故障，故障發(fā)生時間為2 s，故障持續(xù)時間0.1 s。故障電流仿真結果分別見圖8～圖11。故障電流頻譜仿真分別見圖12～圖16。

根據(jù)仿真結果對比可知，傳統(tǒng)轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因(見圖16)，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯(lián)絡線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。這對故障選相元件將會受到嚴重影響。

圖6 雙饋風電場建模

圖7 雙饋風電場低電壓穿越仿真曲線

圖8 單相接地故障仿真曲線

圖9 兩相接地故障仿真曲線

圖10 兩相短路故障仿真曲線

圖11 三相短路故障仿真曲線

圖12 單相接地故障仿真電流幅頻圖

圖13 兩相接地故障仿真電流幅頻圖

圖14 兩相短路故障仿真電流幅頻圖

圖15 三相短路故障仿真電流幅頻圖

圖16 基于傳統(tǒng)Crowbar保護的三相短路電流幅頻圖

4 結論

本文針對傳統(tǒng)Crowbar電路的弊端提出雙饋風電機組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風電場模型，仿真驗證了雙饋風電場具備低電壓穿越能力及控制策略的優(yōu)越性。并仿真研究了雙饋風電場不同故障類型下的故障特性，研究結果表明傳統(tǒng)轉子Crowbar電路的投入是機組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉子Crowbar電路的機組故障電流頻率為工頻；風電場聯(lián)絡線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。這對故障選相元件將會受到嚴重影響。研究成果具有一定的實際價值和意義。

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