雙饋風機低穿及保護策略對電網穩定影響分析

高杉雪，司大軍，孫鵬，游廣增，何燁，黃潤，陳姝敏，胡澤江，胡馨

（1.云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，云南 昆明 650200； 2.云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

隨著“雙碳目標”提出，大量化石能源逐步被風電、光伏等新能源替代，當新能源占比攀升至較高比例時，新能源特別是風機在低電壓穿越期間的控制及保護策略將對電網穩定產生較大影響。雙饋風機(doubly fed induction generator，DFIG)由于發電效率高、可實現變速恒頻運行、造價較低等優點，是現有風電機組的主力機型[1]。但由于定子側直接與電網相連，DFIG對電壓變化十分敏感。當電網電壓突變時，由于定子磁鏈不可突變，導致轉子過流和過壓，風機內部保護動作后脫網，故障穿越失敗[2]。為此國家提出了《風電場接入電力系統技術規定GB_T 19963.1》[3]、《風力發電機組故障電壓穿越測試能力規程 GB-T36995》[4]等多項規定，對風機故障穿越能力提出要求。本文根據相關規程對DFIG故障穿越能力的規定，結合電網實際情況，分析了雙饋風機低穿策略及保護策略中對電網穩定影響較大的關鍵因素。DFIG的基本結構如圖1所示，其中RSC為機側變流器，GSC為網側變流器，轉子Crowbar為與轉子并聯的保護電路。

圖1 雙饋風機基本結構圖

1 風機并網區域電網現狀

分析采用某末端區域電網，區域網內電源較少且以小水電為主，在運風電場4座，區域負荷較重，正常運行中需主網注入大量潮流。區域電網網架如圖2所示，以A風電場為例開展分析，風機參數取現場實測數據。

圖2 區域網架圖

2 低穿策略對電網穩定影響分析

風機低電壓穿越期間控制策略按滿足低穿曲線（見圖3）要求制定，同時標準還對對稱故障及不對稱故障下風機輸出無功電流值、無功電流輸出及退出響應時間等做了規定。本章主要針對DFIG低穿策略中對電網穩定性影響較大的參數開展仿真分析，詳見后文。

圖3 風電場低電壓穿越要求

2.1 故障后風機輸出無功電流響應時間

為提高故障期間風機對電壓的支撐能力，相關標準明確了當發生對稱故障時，自并網點電壓跌落出現時刻起，風機動態無功電流上升時間不大于60 ms。

仿真中將風電場A中雙饋風機低穿策略中無功電流響應時間分別置為2 ms（現場實測值）和60 ms，B-C線路故障N-1相關曲線見圖4和圖5。

圖4 不同無功電流響應時間下風機無功功率

圖5 不同無功電流響應時間下風機并網點母線電壓

如圖所示，若電網發生故障導致風機機端電壓跌落后進入低穿狀態時，風機故障穿越的無功電流響應時間越短，故障期間風機提供無功支撐的速度越快，對電網母線電壓跌落的支撐效果越好。同時需注意的是，若網側發生無需外界干擾即可自動恢復的電壓波動，導致風機機端母線電壓隨之波動時，響應時間過短可能導致風機快速進入低電壓穿越狀態并輸出容性無功電流，反而會加大電網電壓波動。

2.2 低穿期間輸出容性無功電流值

《風電場接入電力系統技術規定 GB_T 19963.1》[3]規定對稱故障時風電場動態無功電流增量應響應并網點母線電壓變化，并滿足式(1)：

式中：ΔIt為風電場注入動態無功電流增量；K1為風電場動態無功電流比例系數，取值范圍應不小于1.5，宜不大于3；Ut為風電場并網點電壓標么值；IN為風電場額定電流。

根據標準要求，風機低穿期間輸出容性無功電流比例系數在1.5～3內可調。基于此，仿真修改機組低穿期間無功調整系數為1.65 p.u.、3 p.u.，B-C線路故障N-1機組輸出無功功率、機端母線電壓曲線見圖6和圖7。

圖6 機組無功功率

圖7 并網點母線電壓

如圖所示，在標準規定取值范圍內，風電場動態無功電流比例系數越大，同一電壓跌落深度下風機無功功率調整速度越快，同一時刻機組輸出無功功率越多，低穿期間對網側母線電壓的支撐效果越好。

2.3 退出低穿狀態時刻狀態切換

由于相關標準中并未對風機退出低電壓穿越后的無功功率恢復提出具體要求，不同風機廠家對恢復階段有不同處理。在風機低穿狀態與正常運行狀態間切換方式處理上，本次分析采用的雙饋機組在兩狀態切換時刻存在無功電流階躍變化（從輸出容性電流到吸收容性容性電流），如圖8所示。

圖8 現場試驗中風機無功功率

將含此階躍變化的雙饋風機參數帶入進行仿真后，B-C線路故障N-1后風機無功功率及并網點網側母線電壓曲線見圖9。

圖9 仿真中風機無功功率及并網點母線電壓

由圖可知，若風機退出低電壓穿越狀態時刻無功電流存在如圖6所示階躍，當風機第一次退出低穿狀態時刻，風機由輸出容性無功電流瞬間變為吸收容性無功電流，此時機端電壓隨之降低至風機低穿門檻電壓之下，風機再次啟動低電壓穿越策略輸出容性無功電流，電壓隨之恢復，到下一個低穿狀態結束時刻再重復上述過程。

由于相關標準僅規定風電機組應具備至少2次低電壓穿越能力，對風機低穿次數的上限無規定，若風機策略中不設置其進低穿次數上限，則上文描述的過程將一直循環，風機無功功率在輸出容性無功功率和吸收無功功率間持續波動，導致并網點母線電壓也持續波動，不利于電網穩定。

2.4 低穿結束后無功功率恢復方式

同樣地，由于相關標準中并未對風機退出低電壓穿越后的無功功率恢復提出具體要求，不同風機廠家對恢復階段無功功率有不同處理，常見的方式主要有無功功率直接恢復和按一定時間恢復。

將無功功率恢復方式分別設為直接恢復和按一定時間恢復，同一故障下風機無功功率和并網點母線電壓曲線見圖10和圖11。由圖可知，由于風機低穿期間輸出容性無功功率，若低穿結束后無功功率不采用一定時間恢復而是立即恢復，則此時風機輸出容性無功功率變化量較大，導致風機并網點母線電壓隨之出現小幅跌落（具體跌落程度取決于無功功率變化量），不利于電網電壓恢復。

圖10 風機無功功率曲線

圖11 風機并網點母線電壓曲線

3 Crowbar保護策略對電網穩定影響分析

由DFIG基本結構圖可知，DFIG由于定子側直接與電網相連，當電網故障電壓跌落時，雙饋風機定子電流增大，繼而在轉子側感應出過電流和過電壓，造成電磁轉矩劇烈變化，對風電機組機械系統產生很大的應力沖擊[5]。這種由于電網側電壓跌落導致的DFIG轉子不平衡能量經機側變換器后，一部分通過網側變換器傳遞到電網，剩余部分作用于直流側電容對其充電，使得直流母線電壓快速上升，導致換流器、直流側電容和風機定子及轉子的損壞，進而引發多臺風機出現連鎖故障反應后威脅電網穩定運行。

為避免DFIG在電網側電壓跌落后出現上述現象，一般配置Crowbar或Chopper保護抑制過流和過壓。Crowbar保護是一種在DFIG轉子側換流器上并聯帶Crowbar電阻的過電流/過電壓保護電路[6]，Chopper保護則是并聯在直流側電容兩側的過電壓保護電路。Crowbar一般以轉子電流或直流電容器兩端電壓升高為保護電路動作條件，動作后相當于短接了DFIG轉子側換流器，阻斷了不平衡能量的傳輸，可從一定程度避免電網側電壓跌落后過電流和過電壓導致的設備損壞。但Crowbar保護投入后相當于DFIG的RSC被短接，風機輸出有功功率及無功功率突變，電網側電壓及頻率將產生更加劇烈的波動，不利于電網穩定。綜上，下文通過仿真分析Crowbar保護相關參數對電網穩定性的影響。

3.1 Crowbar對應電阻阻值影響

Crowbar保護對應電阻值大小對降電流、降直流側電壓效果有較大影響：若Crowbar對應阻值較小可能起不到衰減轉子過電流的作用；若Crowbar對應阻值較大雖然會加快轉子電流衰減速度，但同時也可能造成直流母線電壓振幅增大，造成風機輸出無功功率、有功功率波動更劇烈，進而引起網側母線電壓、頻率的劇烈波動。

為分析Crowbar對應阻值大小對風機外特性乃至對電網穩定性的影響，本文根據Crowbar對應阻值取值公式（式(2) ～式(4)）[7]估算了仿真采用的雙饋風機Crowbar對應阻值，詳見下文。

Crowbar對應阻值Re整定范圍內的最小值：

Crowbar對應阻值Re整定范圍內的最大值：

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為定轉子總漏磁，Lδ=Lδs+Lδr；Isafe一般取1.2倍轉子額定電流；ωs為同步電機角速度。

由于Crowbar對應阻值應在最佳范圍內盡量取大值，考慮安全裕度后Crowbar對應阻值計算公式為：

式中：λ為安全裕度，一般取0.9～0.95。

仿真中采用Crowbar對應電阻值計算采用參數如表1所示。

表1 Crowbar對應阻值計算參數取值

采用式(4)及表1參數估算得到仿真采用雙饋風機Crowbar對應電阻值較合理值應為0.2647 p.u.。將其與風機Crowbar對應電阻實測值1.128 p.u.以及另取的較大值2 p.u.及較小值0.0001 p.u.一起開展對比仿真分析，故障采用B-C線路故障N-1，故障后相關曲線見圖12～圖15。

圖12 不同Crowbar對應阻值下機組無功功率對比

圖13 不同Crowbar對應阻值下機組有功功率對比

圖14 不同Crowbar對應阻值下風機并網點母線電壓

圖15 不同Crowbar對應阻值下風機并網點母線頻率

由圖可以看出，采用估算的Crowbar對應電阻值后，相同故障下比其余電阻值來說對故障后DFIG有功功率和無功功率的波動抑制效果更好，電網電壓波動及頻率波動更小。

3.2 Crowbar動作后退出的轉子電流值/退出時間影響

為仿真Crowbar動作后退出時間與故障清除時間先后關系對風機輸出無功功率、有功功率、并網點母線電壓、頻率的影響，在其余參數一致（參數設置見表2）前提下，修改Crowbar動作后退出的轉子電流值為0.1 p.u.，0.444 p.u.，1.5 p.u.，使其分別對應故障清除后較長時間后退出、故障清除后較短時間后退出、故障清除前退出3種情況，仿真相關曲線見后圖16～19。

圖16 機組無功功率

表2 Crowbar保護參數

圖17 并網點網側母線電壓

圖18 機組有功功率

圖19 并網點網側母線頻率

由圖可知Crowbar動作后退出的轉子電流值和Crowbar返回判斷直流電壓的時間一起確定了Crowbar退出時間與故障清除時間的先后關系。當判斷時間相同時，Crowbar動作后退出的轉子電流值越小，Crowbar動作后退出時間在故障清除時間之后的概率越大。

仿真中Crowbar動作后退出的轉子電流值與其對應的退出時序關系見表3。

表3 Crowbar返回電流值與退出時序對應表

綜上可知：

1）若Crowbar在故障清除前（含清除時刻，返回電流值1.5 p.u.）退出，此時轉子側換流器重新投入，風機按低穿策略輸出無功功率突增，第二次引起低穿期間無功功率擾動，進而影響并網點網側母線電壓、頻率劇烈波動。

2）若Crowbar在故障清除后（較長時間或較短時間）退出，則在故障清除至Crowbar退出時間段內風機將向電網吸收容性無功，吸收容性無功大小及時長與故障切除時刻風機狀態及Crowbar退出時間相關，存在導致風機頻繁進出低穿及高穿狀態、Crowbar頻繁投退可能性，但總的來說引起的電網側電壓、頻率波動較Crowbar在故障清除前退出情況下波動更小。

對實際并網運行的DFIG，若風機并網點保護定值能配合Crowbar動作后的退出轉子電流值，在不損壞設備的前提上使Crowbar保護在故障清除后再退出，能有效降低故障后由于Crowbar保護存在導致DFIG對電網電壓、頻率波動的不利影響。

4 結束語

本文分析并采用仿真驗證了DFIG低穿策略、Crowbar保護策略相關邏輯參數對電網穩定性的影響，提出以提高電網動態過程穩定性為目標的DFIG相關參數優化方向。從風機角度為后續大規模新能源接入后電網穩定運行提供支撐，對電網順利接納大規模新能源提供支撐。