新型DVR-FCL的SCIG風電場短路故障穿越方法

涂春鳴，侯 尊，姜 飛，帥智康，鄧 樹，唐君華

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學），長沙 410082）

新型DVR-FCL的SCIG風電場短路故障穿越方法

涂春鳴，侯 尊，姜 飛，帥智康，鄧 樹，唐君華

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學），長沙 410082）

由于傳統的鼠籠型異步機風電場本身并不具備故障穿越的能力，本文提出了一種具備限流功能的動態電壓恢復器，其串聯于風電場并網點，在電網短路故障初始階段，利用雙向晶閘管投入串聯限流電感，維持跌落過程中風電場出口電壓相對恒定；在短路故障清除后切換至電壓補償功能，有利于風電場出口電壓的快速恢復。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立了鼠籠型異步機風電場及相關電網模型，仿真結果表明所提方法有利于提高鼠籠型異步風機的短路故障穿越能力。

風電場；鼠籠型異步風電機；動態電壓補償；故障限流；故障穿越

目前，中國風電產業進入規模化發展階段，風電機組的市場需求逐步增加[1]。隨著風力發電并網容量增大和電壓等級提高，大型風電場在系統故障時應保持接入，并能經受故障引起的暫態擾動，實現低電壓穿越功能[2-5]。

風力發電機組包括基于普通異步發電機的定速風機以及基于變頻器的變速風機。前者由于結構和控制方法簡單，因此市場占有率最大[6]。但定速風機采用鼠籠型異步發電機，缺少勵磁、轉速與功率控制系統，并網后降低了電壓穩定性和電能質量。當風電場附近電網發生瞬間短路故障時，直接耦合的連接方式使公共連接點PCC（point of common coupling）電壓降落，將引起風電機組定子端電壓跌落和發電機轉速上升。定子磁鏈將出現直流分量，不對稱故障下還會產生負序分量，而定子磁鏈直流分量和負序分量使得較高轉速的電機轉子形成較大轉差，因而感應出較大的轉子電勢和轉子電流，引起轉子電路的過壓過流問題[7]。

針對鼠籠型異步機SCIG（squirrel-cage induction generator）風電場低電壓穿越問題，文獻[8]分析了故障點位置、故障點附近的風機容量和故障發生時間等因素對電網電壓穩定性的影響，并提出了“分散接入”的方式能提高風電場的穩定性，但對低壓減載裝置的研究仍有待深入。文獻[9]對靜態無功補償器SVC（static var compensator）改善異步風機暫態穩定性進行研究，利用SVC和槳距角控制的綜合方法改善風機暫態電壓穩定性，其中SVC補償風電場所需的無功容量，槳距角控制減小故障期間輸入有功功率，以降低發電機轉子過速。但對于SVC四象限連續運行和跌落時裝置的補償容量，以及過零投切等問題仍需考慮。文獻[10]分別研究了定速風電機組和帶有可變轉子電阻控制的繞線轉子電機，提出采用靜態同步補償器STATCOM（static synchronous compensator）能加快故障后電壓恢復。STATCOM的控制方式較復雜，對開關器件要求較高[11-13]。此外，采用機端串聯制動電阻SDBR（series dynamic braking resistor）提高故障后的風機端電壓并調節故障后風電場的有功功率[14-16]，但其僅通過消耗有功功率提高風機穩定性，改善效果可能受系統功率因數影響。文獻[17]提出了將動態電壓恢復器DVR（dynamic voltage restorer）用于風電場低電壓穿越，但未能考慮故障清除后風電場公共端電壓恢復緩慢的情況。文獻[18]提出將固態限流器SSFCL（solid state fault current limiter）作為風電機組保護裝置，但同樣未考慮故障切除后公共點電壓恢復時間長的問題。

針對上述問題，本文討論了SCIG風電場在電網發生嚴重故障時，風電場的短路電流特性及暫態穩定性問題。本文提出了采用風電場出口處接入具有限流功能的動態電壓補償器DVR-FCL（dynamic voltage restorer with fault current limiter），并分析了短路故障下DVR-FCL提高SCIG風電場暫態穩定性的工作機理。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立仿真模型，結果證明了該方法的有效性。

1 風電場DVR-FCL運行機理

1.1 風電場DVR-FCL的拓撲結構

采用新型DVR-FCL方法的SCIG風電場拓撲結構如圖1所示，SCIG風電場采用單機等值模型。SCIG風電場由風力機、齒輪箱、鼠籠感應發電機和并聯電容器組構成，SCIG風電場在向電網提供有功功率同時自身需要消耗一定無功功率，這部分無功功率通過風機出口處安裝的一組并聯電容器補償。最后經過690 V/10 kV的升壓變壓器和具備限流功能的DVR接入10 kV電網。

DVR-FCL采用三單相結構，圖1給出其單相結構簡圖。DVR串聯在SCIG風電場主變壓器和PCC之間，系統由PWM整流器、串聯變流器、雙向晶閘管控制短路支路、串聯變壓器和控制系統組成。PWM整流器通過并聯變壓器接入風電場主變壓器高壓側，3個單相變壓器直流電容通過3個單相可控整流橋充電，串聯變流器通過直流儲能單元與PWM整流器相連，實現能量的交互流通。雙向晶閘管控制短路支路由2個反向并聯晶閘管和電感L組成，并聯在LC型濾波器電容兩端，電網電壓正常時，反向并聯的晶閘管關斷，DVR處于電壓質量補償模式，補償風電場出口的小幅電壓波動。通過LC型濾波器濾除串聯變流器產生的高頻諧波，通過逆變器輸出端提供補償電壓，維持SCIG風電場出口電壓穩定。

圖1 風電場DVR-FCL拓撲結構Fig.1 Topological structure of the wind farm with DVR-FCL

當電網出現短路故障時，風電場出口電壓出現大幅跌落，同時定子側短路電流在故障瞬間瞬時增大，此時整流器和串聯變流器的絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）封鎖，反并聯晶閘管導通，輸出電感短接到串聯變壓器副邊，限流單元的電感L等效串聯在風場出口和PCC之間，進入限流保護模式。

1.2 風電場DVR-FCL穩態等值模型

由于基于異步電機的定、轉子磁場及電氣量具有以同步轉速旋轉的特點，取同步轉速旋轉的坐標系為參考坐標系，可以簡化計算。因此，將d/q軸放在同步旋轉坐標系上建立電機的狀態方程[19]，定轉子各軸電壓為

式中：uds、uqs分別為定子的直軸、交軸電壓；udr、uqr分別為轉子的直軸、交軸電壓；Rs、Rr分別為定子、轉子電阻；ids、iqs分別為定子的直軸、交軸電流；idr、iqr分別為轉子的直軸、交軸電流；ψds、ψqs分別為定子磁鏈的直軸、交軸分量；ψdr、ψqr分別為轉子磁鏈的直軸、交軸分量；ωs為同步轉速；p為微分算子；p(θr)是滑差角速度為

發電機磁鏈方程為[19]

式中：Lm=3LaA/2，LaA為定轉子互感幅值；Lss和Lrr為定轉子全自感。

轉子加速方程為

式中：H為發電機慣量常數；Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩。

當系統發生短路故障引起PCC電壓突降，此時電機電磁轉矩比機械轉矩低，電機轉速上升。故障清除后，電機轉速較高，電機要恢復到故障前狀態需要吸收大量的無功功率。根據異步發電機的磁鏈及電壓方程，可推導出風電場DVR-FCL單機模型穩態等效電路如圖2所示。圖2中Ug為電網電壓，rl+jXl為線路阻抗，U1為DVR-FCL等效輸出電壓，XL為限流阻抗；XT為升壓變壓器等效電抗，Is、Ir分別為電機定子電流、折算至定子側的轉子電流，rs、rr分別為定子電阻、折算到定子側的轉子電阻，Xm為激磁電抗，s是轉差率，rs+jXs為定子漏阻抗，rr+jXr為轉子漏阻抗，（1-s）rr/s為轉子軸功率。

圖2 風電場DVR-FCL單機模型穩態等效電路Fig.2 Steady-state equivalent circuit of single-machine wind farm model with DVR-FCL

1.3 DVR-FCL提高風電場故障穿越能力工作機理

為了研究DVR-FCL提高風電場故障穿越能力的工作機理，需要建立短路故障初始階段和故障清除后的系統等效電路，即單機等效的風電場DVRFCL穩態等值電路。

系統發生三相短路故障后，由于異步風電機組沒有單獨的勵磁繞組，機端電壓在故障后跌落程度很大，缺少勵磁使定子及穩態短路電流最終衰減至零。當SCIG風電場出口發生三相短路故障時，根據式（1）可得出定子A相在故障后的短路電流為

由于限流阻抗XL的作用，抑制了定子側和轉子側的瞬間電流沖擊，同時串入電抗提高了故障過程中的機端電壓，保持故障過程中風電場出口電壓相對恒定，防止轉子失速。

短路故障初始階段，在DVR-FCL的整流器和串聯變流器IGBT脈沖封鎖之后，反并聯晶閘管導通，即S2斷開，S1導通。在故障清除后PCC電壓恢復期間，反并聯晶閘管閉合，整流器和串聯變流器IGBT脈沖打開，即S2導通，S1斷開。DVR補償電壓相當于恒壓源，使風電場出口電壓快速恢復，避免風電場吸收大量無功功率。投入DVR相當于加入可調電壓源，有利于風電場出口電壓快速恢復至正常水平，提高其故障穿越能力。

2 風電場DVR-FCL故障穿越控制策略

DVR-FCL兼顧了DVR和FCL的雙重功能。當SCIG風電場附近電網發生短路故障時，故障支路會引起風電場出口電壓瞬時跌落。風電場要保持不脫網，瞬時故障電流要在很短時間內得到抑制；同時在短路故障清除后，風機端電壓應快速恢復至額定值水平，否則會出現風電場吸收大量無功功率的情況，進一步加劇風電場的故障恢復緩慢問題。根據上述要求，將DVR-FCL的工作模式分為故障限流控制和動態電壓補償控制。

2.1 短路故障初始階段電壓維持控制

在故障階段風電機組的定、轉子側電流都將高于其額定值，這對風機自身安全有很大隱患。風電場在故障期間能夠保持不脫網，一般需要采取措施限制其輸出的機械功率，減緩電機轉速。三相短路故障是各種短路故障中最嚴重的一種，三相短路故障時，定子電壓跌落很嚴重，同時故障電流瞬間激增。

2.1.1 風電場DVR-FCL故障限流工作模式

當DVR-FCL檢測到短路電流達到限流動作值時，封鎖故障相串聯變流器的工作脈沖，之后給晶閘管控制短路支路導通信號，將串聯變流器的輸出電感短路串聯變壓器的二次側，實現故障限流。此時故障電流通過限流電抗，使風電場出口電壓基本穩定，DVR-FCL在故障限流工作模式下的等效電路如圖3所示。

圖3 DVR-FCL故障限流工作模式等效電路Fig.3 Equivalent circuit of DVR-FCL in the fault current-limiting mode

由于LC濾波器諧振點在高頻，即n2ω0L=1/ω0C，n為開關頻率附近，ω0為基波角頻率，則ω0L?1/ω0C。同時由于L1較小，最終使串聯變壓器二次側的等效阻抗Zeq2=ω0L，等效到一次側的阻抗為Zeq= k2ω0L。由于k2很大，使輸出電感等效在一次側的阻抗Zeq很大，實現限制短路電流的目的。短路故障從發生到完成限流只需從串聯變流器完成封鎖到晶閘管控制短路支路完成開通即可，切換至故障限流工作模式時間短。通過將輸出電感短路到串聯變壓器二次側實現限流功能，DVR-FCL基本不產生過電壓，限流動作靈活且可多次操作，對電網影響也很小。

2.1.2 風電場DVR-FCL故障限流控制策略

故障會導致PCC電壓驟降，但SCIG的輸出有功功率并不會突變。DVR-FCL在故障期間通過投入限流電抗來吸收風機輸出的有功功率；故障后快速進入電能質量補償控制模式以迅速恢復風電場出口處電壓，從而減輕電網故障對風電場暫態穩定性的影響。

DVR-FCL故障限流工作模式控制框如圖4所示。線路發生短路故障時FaultA信號為高電平，再經低電平轉換后與控制該相橋臂的PWMA信號相與得到低電平，封鎖串聯變流器的IGBT，得到IGBT封鎖信號Fs，其為低電平。故障信號FaultA經過延時后，形成一個高電平脈寬經過驅動來控制晶閘管短路支路導通，晶閘管支路控制變流器輸出濾波電感短接到串聯變壓器二次側，再等效到串聯變壓器原邊側進行限流。當短路故障消失后，給晶閘管低電平控制信號，晶閘管承受反壓關斷短路電抗支路，同時閉鎖信號消失，裝置重新進入動態電壓補償工作模式。

圖4 DVR-FCL的故障限流工作模式控制框Fig.4 Control block of DVR-FCL in the fault current-limiting mode

2.2 短路故障清除后電壓恢復控制

當DVR-FCL檢測到電網電壓出現波動和不平衡的情況，立即進入動態電壓補償工作模式，DVRFCL在動態電壓補償工作模式下的等效電路如圖5所示。通過PWM整流器提供直流側電源，再經過串聯變流器向電網注入補償電壓，以達到支撐PCC電壓，補償電網電壓波動和不平衡，實現穩定PCC電壓和提高輸電質量的目的。

此時具備限流功能的DVR等效為受控電壓源，根據電網電壓的波動和不平衡情況向線路注入補償電壓。DVR-FCL動態電壓補償工作模式控制框如圖6所示，設穩定標準電壓為，實際檢測到的電源側A相電壓為usa，兩者的差值作為電壓波動補償量uref，uref與usa的差值經過PR調節器后進行三角波比較，得到串聯變流器逆變橋的控制信號。短路故障清除時FaultA信號為低電平，再經反相器轉換并與該相橋臂控制的PWMA信號相與得到高電平，進入動態電壓補償工作模式。

圖5 DVR-FCL動態電壓補償工作模式等效電路Fig.5 Equivalent circuit of DVR-FCL in the dynamic voltage compensation mode

圖6 DVR-FCL的動態電壓補償控制框Fig.6 Control block of DVR-FCL in the dynamic voltage compensation mode

3 仿真分析

為了驗證風電場接入DVR-FCL方案的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC環境下建立了圖1所示的仿真模型。風電場總裝機容量為23 MW，由10臺2.3 MW的SCIG組構成，風電機組的極對數為3，其具體參數如表1所示。

DVR-FCL的主要參數如下：補償容量為25 MVA，直流側電壓1 200 V，串聯變流器輸出濾波器L=0.25 mH，C=27 μF，串聯變壓器變比為8∶1，直流側電容值1 500 μF，并聯變壓器變比為23.5∶1，PWM整流器輸出電感L=1 mH。下面對電網發生對稱故障時風電場的暫態特性進行仿真分析。

表1 鼠籠型異步風電機組參數Tab.1 Parameters of SCIG

3.1 短路故障下風電場暫態特性分析

假設t=6 s時，風電場出口處發生三相短路故障，持續時間0.5 s，SCIG暫態特性如圖7所示。由圖7（a）可以看出，未接入DVR-FCL時，SCIG的機端電壓驟降，故障清除后，電壓恢復至額定值時間長。圖7（b）中故障發生后風機有功功率逐漸衰減，故障清除前一直為0，直到7.5 s才逐漸恢復到額定值。

由于仿真中風電場未加裝無功補償裝置，故障期間磁鏈將逐漸衰減至0，圖7（c）中無功功率也隨之為0。故障清除后，為重建風電場磁場，SCIG將從電網吸收大量無功功率，導致風電場電壓恢復緩慢。故障期間，圖7（d）所示的電磁轉矩Te將短暫衰減至0，故障清除后逐漸恢復。機械轉矩Tm在故障期間有波動，故障清除后逐漸恢復至穩態。

由圖7（e）的仿真結果可看出，定子側故障電流瞬時增大，這部分沖擊電流會導致風機內部或變壓器的線圈嚴重發熱，之后指數衰減到0，故障清除后波動變化，直到7.5 s時逐漸恢復穩定。

圖7 三相短路故障下風電場暫態特性Fig.7 Transient characteristics of the wind farm under three-phase short-circuit fault

3.2 短路故障下風電場DVR-FCL故障穿越分析

SCIG風電場接入DVR-FCL時，仿真結果如圖8所示，從圖8（a）～圖8（d）可看出，6 s時DVR-FCL檢測到短路故障，投入限流電感，機端電壓可維持額定值。6.5 s時故障消除后進入DVR補償模式，電壓快速保持穩態值6～6.5 s。風電場有功功率維持不變，無功功率在故障恢復后不會驟增，機械轉矩Tm和電磁轉矩Te也維持穩定。

圖8（e）中由于晶閘管控制投切限流電感，抑制了定子側的電流激增，確保了風電場和相關電氣設備安全。

對比圖7和圖8可以得出，在故障初始階段，DVR-FCL進入故障限流模式，有效抑制了風電場出口處短路電流的沖擊，支撐出口處電壓，保持有功功率和電磁轉矩相對穩定；故障消除時，DVR-FCL進入動態電壓補償模式，使機端電壓迅速恢復至穩態值，同時減小了有功功率和電磁轉矩的波動。仿真結果表明，接入DVR-FCL的SCIG風電場具備電網嚴重故障下的故障穿越能力。

圖8 三相短路故障下接入DVR-FCL的風電場暫態特性Fig.8 Transient characteristics of the wind farm with DVR-FCL under three-phase short-circuit fault

4 結語

本文深入分析了接入DVR-FCL的SCIG風電場在電網短路故障下的工作機理，通過單機等效建立了風電場模型。電網三相短路時，DVR-FCL進入限流控制方式，抑制短路初始時刻的故障電流；故障消除后，進入DVR電壓補償工作方式，快速恢復風電場出口處公共點電壓。另外在電網正常運行時，風的隨機波動、偏航誤差、湍流、風剪切及塔影效應會導致風電場出口處公共點電壓小幅波動，DVRFCL還可用于這些情況下的電能質量問題治理。

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Fault Ride-through of SCIG Wind Farm Using Novel DVR-FCL During Short-circuit Fault

TU Chunming，HOU Zun，JIANG Fei，SHUAI Zhikang，DENG Shu，TANG Junhua
（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center（Hunan University），Changsha 410082，China）

As the traditional wind farms based on squirrel-cage induction generators do not possess the fault ridethrough ability，a novel dynamic voltage restorer with the fault current-limiting function is proposed，which is connected in series to the position between the wind farm and grid.To maintain a relatively constant voltage at the exports of wind farm，the current-limiting inductor is added via the bidirectional thyristors in the early stage of short-circuit fault.The voltage compensation function is activated after the clearance of short-circuit fault to ensure the fast voltage recovery at the exports.A simulation model of the wind farm based on squirrel-cage induction generators and the associated gird is established in the PSCAD/EMTDC software environment.The simulation results indicate that the proposed control scheme is helpful to the improvement of fault ride-through ability of squirrel-cage induction generators during shortcircuit fault.

wind farm；squirrel-cage induction generator；dynamic voltage compensation；fault current-limiting；fault ride-through

TM614

A

1003-8930（2016）12-0031-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.006

涂春鳴（1976—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。Email：chunming_tu@ 263.net

侯 尊（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術在微網技術中的應用。Email：hnuhz2011@163.com

姜 飛（1985—），男，博士研究生，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。Email：jiamg85521@126.com

2014-11-14；

2016-05-30

國家自然科學基金資助項目（51377051）