不同異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力研究

楊志越，李鳳婷

（新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

風力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越高，對電網(wǎng)的影響越來越大。為了維護電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，新的并網(wǎng)規(guī)程對風電場并網(wǎng)提出了更為嚴格的要求，其中低電壓穿越能力就是其中最重要的指標之一。目前新安裝的直驅(qū)式同步風力發(fā)電機組已經(jīng)很好地解決了這一問題，但在已建成的風電場中，還存在大量較早投產(chǎn)的異步風力發(fā)電機組，這些機組在生產(chǎn)時并沒有考慮到低電壓穿越這一技術(shù)要求。因此，研究不同異步風電機組低電壓穿越能力，了解相關(guān)機組性能并給出改善措施具有非常重要的意義。

本文給出了風電機組的模型，建立了風電場仿真系統(tǒng)的模型，分別仿真了兩種最典型的異步風力發(fā)電機組在故障后采取改善措施前后風電機組的低電壓穿越能力，并對各項參數(shù)進行了對比分析。

1 風電機組模型

1.1 風速模型

為了比較準確地描述風電的間歇性和隨機性特點，目前普遍將風速模型分為基本風、陣風、漸變風和隨機風4種，作用在風力發(fā)電機上的為4種風速的疊加，其風速模型為

式中， V風速、 V基本風、 V陣風、 V漸變風、 V隨機風分別代表疊加風的風速、基本風的風速、陣風的風速、漸變風的風速和隨機風的風速。

1.2 風力機模型

風力機吸收功率為P，其數(shù)學模型為

式中，P為風力機吸收的功率；π為圓周率；ρ為空氣密度；Cp為風力機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；β為漿距角；λ為葉尖速比；R為葉片半徑；VW為風力機轉(zhuǎn)速；PN為額定功率；V為作用于葉片的風速；VIN為風機切入風速；VN為風機額定風速；VOUT為風機切出風速。

風力機組的傳動部分模型為

式中，MM為發(fā)電機軸上的機械轉(zhuǎn)矩；t為時間；TW為風力機慣性時間常數(shù)；MW為風力機的機械轉(zhuǎn)矩。

1.3 異步發(fā)電機模型

風電場用異步風力發(fā)電機采用考慮轉(zhuǎn)子暫態(tài)的三階機電暫態(tài)模型，其數(shù)學模型如下

異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中，s為發(fā)電機的滑差；t為時間；τJ為發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)；TE為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；TM是發(fā)電機側(cè)的機械轉(zhuǎn)矩分別為發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓為定子開路時轉(zhuǎn)子回路的時間常數(shù)；ID、IQ分別為發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的電流；f0為發(fā)電機頻率；x為發(fā)電機電抗；x′為發(fā)電機暫態(tài)電抗；E′·為發(fā)電機的暫態(tài)電勢。

典型的異步風力發(fā)電機組主要包括鼠籠式異步發(fā)電機組和雙饋式異步風力發(fā)電機組。

2 無功補償裝置（SVC）模型

SVC主要以晶閘管控制的電抗器 （TCR）、晶閘管投切的電容器 （TSC）以及二者的混合裝置等組成。本文所采用的SVC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TCR從系統(tǒng)吸收的無功QTCR、TSC向系統(tǒng)注入的無功功率QTSC、SVC裝置輸出的無功功率QSVC計算如下

圖1 SVC的基本結(jié)構(gòu)示意

式中，U為電源電壓的有效值；QTCR、XTSC分別為TCR和TSC的阻抗；XR為TCR中電抗器的阻抗；α為觸發(fā)角；w為電源額定角速度；C為TSC中電容器的電容。

3 算例仿真分析

3.1 仿真風電場模型簡介

本文算例為風電場接入無窮大系統(tǒng)，其接線圖如圖2所示。仿真風電場分別由6臺1.5 MW的鼠籠式異步風力發(fā)電機 （出力情況如圖3所示）和6臺1.5 MW的雙饋式異步風力發(fā)電機 （出力情況如圖4所示）組成。每臺異步風力發(fā)電機出口電壓均為690 V，通過機端變壓器升壓至10 kV，后通過1條10 km長的輸電線路連接到風電場的升壓站將電壓升高至220 kV后最終接入無窮大系統(tǒng)。

圖2 并網(wǎng)風電場的接線示意

圖3 鼠籠式異步風力發(fā)電機出力

3.2 不同異步風力發(fā)電機組低電壓穿越能力的仿真分析

以圖2所示的風電場10 kV輸電線路距風電場升壓站5 km處發(fā)生三相短路來模擬。仿真中，風電機組風速穩(wěn)定在12 m/s，輸電線路在t=25 s時發(fā)生瞬時三相短路，故障發(fā)生0.1 s后被清除。

3.2.1 未采取改善措施

圖4 雙饋式異步風力發(fā)電機出力

在匯流母線上未加裝SVC。兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的仿真曲線見圖5和圖6。

圖5 鼠籠式異步風力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線

圖6 雙饋式異步風力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線

由圖5可知，在發(fā)生嚴重的三相短路故障后，鼠籠式異步風力發(fā)電機的機端電壓迅速降低，后逐漸穩(wěn)定在0.7 p.u附近；輸出的有功功率也大幅下降直至28 s后有功出力降為零；發(fā)電機吸收的無功功率在故障發(fā)生后逐漸上升，從電網(wǎng)中吸收了大量的無功功率；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也不斷上升并失去控制。

圖6顯示，在發(fā)生嚴重的三相短路故障后，雙饋式異步風力發(fā)電機的機端電壓在故障消失后迅速恢復(fù)到1 p.u并維持穩(wěn)定；發(fā)電機輸出的有功功率和從電網(wǎng)中吸收的無功功率在故障消失后出現(xiàn)了輕微波動，但隨后則完全恢復(fù)到正常水平；發(fā)電機轉(zhuǎn)速在故障前后只出現(xiàn)了小幅波動，達到1.227 p.u的峰值后迅速回落，26 s后轉(zhuǎn)速也恢復(fù)到正常水平。

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，由于鼠籠式異步風力發(fā)電機在三相短路故障發(fā)生后從電網(wǎng)吸收了大量的無功功率，導(dǎo)致發(fā)電機端電壓只能恢復(fù)到0.7 p.u的水平，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也不斷上升并失去了控制，直接導(dǎo)致機組出力下滑直至為零；雙饋式異步風力發(fā)電機在發(fā)生嚴重的三相短路故障后機組轉(zhuǎn)速、輸出的有功功率、吸收的無功功率、機端電壓略有波動但運行平穩(wěn)。通過分析以上情況可以得出：鼠籠式異步風力發(fā)電機組在低電壓穿越能力要弱于雙饋式異步風力發(fā)電機組。

3.2.2 采取了改善措施

匯流母線上加裝SVC后，兩種異步風電機組在發(fā)生三相短路故障后的仿真曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 鼠籠式異步風力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線

由圖7可知，加裝SVC后，故障發(fā)生后鼠籠式異步風力發(fā)電機的機端電壓在小幅波動后迅速恢復(fù)正常，輸出的有功功率、吸收的無功功率和轉(zhuǎn)速在短暫波動后也逐漸恢復(fù)正常。從以上變化曲線反映的情況可知在加裝了SVC后鼠籠式異步風力發(fā)電機的低電壓穿越能力得到了明顯提高。

圖8 雙饋式異步風力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線

由圖8可知，在加裝了SVC后雙饋式異步風力發(fā)電機各項參數(shù)的變化與未加時相比得到了進一步改善：故障后機端電壓波動更小，恢復(fù)有功出力更快，吸收無功曲線的波動也更小，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化也更加平穩(wěn)，機組的低電壓穿越能力進一步得到提高。

由圖7和圖8可以看出，在加裝了SVC后，兩種異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力都得到了提高，尤其是鼠籠式異步風力發(fā)電機組改善最為明顯。由此可得：在匯流母線處加裝先進的SVC，可以明顯改善異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

通過仿真對比兩種典型異步風力發(fā)電機組故障后各參數(shù)的變化情況可以得出：鼠籠式異步風力發(fā)電機的低電壓穿越能力明顯弱于雙饋式異步風力發(fā)電機。其主要原因在于鼠籠式異步風力發(fā)電機故障發(fā)生后在系統(tǒng)電壓恢復(fù)過程中要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率以重建發(fā)電機內(nèi)部磁場，從而導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生非常大的沖擊電流，并在機組與相連的升壓站之間的輸電線路上產(chǎn)生巨大的壓降，從而進一步降低了機端的出口電壓。而雙饋式異步風力發(fā)電機是在故障消失后重新啟動變換器來控制發(fā)出的有功功率和吸收的無功功率的，因而減小了發(fā)電機磁場重建所產(chǎn)生的沖擊電流及機端的電壓降。另外，通過變換器還可以控制雙饋風電機的轉(zhuǎn)速，相比較而言雙饋風電機組低電壓穿越的能力要強得多。為了提高正在并網(wǎng)運行的鼠籠式異步風力發(fā)電機的低電壓穿越能力，可以在原有機組不做改動的基礎(chǔ)上在匯流母線處加裝動態(tài)SVC。這樣可以明顯提高鼠籠式異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力，同樣也可以改善雙饋式異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力。

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