不同异步风力发电机组的低电压穿越能力研究

杨志越，李凤婷

（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

风力发电在电网中的比例越来越高，对电网的影响越来越大。为了维护电网的安全稳定运行，新的并网规程对风电场并网提出了更为严格的要求，其中低电压穿越能力就是其中最重要的指标之一。目前新安装的直驱式同步风力发电机组已经很好地解决了这一问题，但在已建成的风电场中，还存在大量较早投产的异步风力发电机组，这些机组在生产时并没有考虑到低电压穿越这一技术要求。因此，研究不同异步风电机组低电压穿越能力，了解相关机组性能并给出改善措施具有非常重要的意义。

本文给出了风电机组的模型，建立了风电场仿真系统的模型，分别仿真了两种最典型的异步风力发电机组在故障后采取改善措施前后风电机组的低电压穿越能力，并对各项参数进行了对比分析。

1 风电机组模型

1.1 风速模型

为了比较准确地描述风电的间歇性和随机性特点，目前普遍将风速模型分为基本风、阵风、渐变风和随机风4种，作用在风力发电机上的为4种风速的叠加，其风速模型为

式中， V风速、 V基本风、 V阵风、 V渐变风、 V随机风分别代表叠加风的风速、基本风的风速、阵风的风速、渐变风的风速和随机风的风速。

1.2 风力机模型

风力机吸收功率为P，其数学模型为

式中，P为风力机吸收的功率；π为圆周率；ρ为空气密度；Cp为风力机转换效率系数；β为浆距角；λ为叶尖速比；R为叶片半径；VW为风力机转速；PN为额定功率；V为作用于叶片的风速；VIN为风机切入风速；VN为风机额定风速；VOUT为风机切出风速。

风力机组的传动部分模型为

式中，MM为发电机轴上的机械转矩；t为时间；TW为风力机惯性时间常数；MW为风力机的机械转矩。

1.3 异步发电机模型

风电场用异步风力发电机采用考虑转子暂态的三阶机电暂态模型，其数学模型如下

异步发电机的电磁转矩方程为

式中，s为发电机的滑差；t为时间；τJ为发电机转子惯性时间常数；TE为发电机的电磁转矩；TM是发电机侧的机械转矩分别为发电机定子和转子侧的电压为定子开路时转子回路的时间常数；ID、IQ分别为发电机定子和转子侧的电流；f0为发电机频率；x为发电机电抗；x′为发电机暂态电抗；E′·为发电机的暂态电势。

典型的异步风力发电机组主要包括鼠笼式异步发电机组和双馈式异步风力发电机组。

2 无功补偿装置（SVC）模型

SVC主要以晶闸管控制的电抗器 （TCR）、晶闸管投切的电容器 （TSC）以及二者的混合装置等组成。本文所采用的SVC基本结构如图1所示。

TCR从系统吸收的无功QTCR、TSC向系统注入的无功功率QTSC、SVC装置输出的无功功率QSVC计算如下

图1 SVC的基本结构示意

式中，U为电源电压的有效值；QTCR、XTSC分别为TCR和TSC的阻抗；XR为TCR中电抗器的阻抗；α为触发角；w为电源额定角速度；C为TSC中电容器的电容。

3 算例仿真分析

3.1 仿真风电场模型简介

本文算例为风电场接入无穷大系统，其接线图如图2所示。仿真风电场分别由6台1.5 MW的鼠笼式异步风力发电机 （出力情况如图3所示）和6台1.5 MW的双馈式异步风力发电机 （出力情况如图4所示）组成。每台异步风力发电机出口电压均为690 V，通过机端变压器升压至10 kV，后通过1条10 km长的输电线路连接到风电场的升压站将电压升高至220 kV后最终接入无穷大系统。

图2 并网风电场的接线示意

图3 鼠笼式异步风力发电机出力

3.2 不同异步风力发电机组低电压穿越能力的仿真分析

以图2所示的风电场10 kV输电线路距风电场升压站5 km处发生三相短路来模拟。仿真中，风电机组风速稳定在12 m/s，输电线路在t=25 s时发生瞬时三相短路，故障发生0.1 s后被清除。

3.2.1 未采取改善措施

图4 双馈式异步风力发电机出力

在汇流母线上未加装SVC。两种异步风电机组在发生三相短路故障后的仿真曲线见图5和图6。

图5 鼠笼式异步风力发电机组低电压穿越仿真曲线

图6 双馈式异步风力发电机组低电压穿越仿真曲线

由图5可知，在发生严重的三相短路故障后，鼠笼式异步风力发电机的机端电压迅速降低，后逐渐稳定在0.7 p.u附近；输出的有功功率也大幅下降直至28 s后有功出力降为零；发电机吸收的无功功率在故障发生后逐渐上升，从电网中吸收了大量的无功功率；发电机的转速也不断上升并失去控制。

图6显示，在发生严重的三相短路故障后，双馈式异步风力发电机的机端电压在故障消失后迅速恢复到1 p.u并维持稳定；发电机输出的有功功率和从电网中吸收的无功功率在故障消失后出现了轻微波动，但随后则完全恢复到正常水平；发电机转速在故障前后只出现了小幅波动，达到1.227 p.u的峰值后迅速回落，26 s后转速也恢复到正常水平。

对比图5和图6可以发现，由于鼠笼式异步风力发电机在三相短路故障发生后从电网吸收了大量的无功功率，导致发电机端电压只能恢复到0.7 p.u的水平，发电机的转速也不断上升并失去了控制，直接导致机组出力下滑直至为零；双馈式异步风力发电机在发生严重的三相短路故障后机组转速、输出的有功功率、吸收的无功功率、机端电压略有波动但运行平稳。通过分析以上情况可以得出：鼠笼式异步风力发电机组在低电压穿越能力要弱于双馈式异步风力发电机组。

3.2.2 采取了改善措施

汇流母线上加装SVC后，两种异步风电机组在发生三相短路故障后的仿真曲线分别如图7和图8所示。

图7 鼠笼式异步风力发电机组低电压穿越仿真曲线

由图7可知，加装SVC后，故障发生后鼠笼式异步风力发电机的机端电压在小幅波动后迅速恢复正常，输出的有功功率、吸收的无功功率和转速在短暂波动后也逐渐恢复正常。从以上变化曲线反映的情况可知在加装了SVC后鼠笼式异步风力发电机的低电压穿越能力得到了明显提高。

图8 双馈式异步风力发电机组低电压穿越仿真曲线

由图8可知，在加装了SVC后双馈式异步风力发电机各项参数的变化与未加时相比得到了进一步改善：故障后机端电压波动更小，恢复有功出力更快，吸收无功曲线的波动也更小，发电机的转速变化也更加平稳，机组的低电压穿越能力进一步得到提高。

由图7和图8可以看出，在加装了SVC后，两种异步风力发电机组的低电压穿越能力都得到了提高，尤其是鼠笼式异步风力发电机组改善最为明显。由此可得：在汇流母线处加装先进的SVC，可以明显改善异步风力发电机组的低电压穿越能力。

4 结论

通过仿真对比两种典型异步风力发电机组故障后各参数的变化情况可以得出：鼠笼式异步风力发电机的低电压穿越能力明显弱于双馈式异步风力发电机。其主要原因在于鼠笼式异步风力发电机故障发生后在系统电压恢复过程中要从电网吸收大量的无功功率以重建发电机内部磁场，从而导致电网中产生非常大的冲击电流，并在机组与相连的升压站之间的输电线路上产生巨大的压降，从而进一步降低了机端的出口电压。而双馈式异步风力发电机是在故障消失后重新启动变换器来控制发出的有功功率和吸收的无功功率的，因而减小了发电机磁场重建所产生的冲击电流及机端的电压降。另外，通过变换器还可以控制双馈风电机的转速，相比较而言双馈风电机组低电压穿越的能力要强得多。为了提高正在并网运行的鼠笼式异步风力发电机的低电压穿越能力，可以在原有机组不做改动的基础上在汇流母线处加装动态SVC。这样可以明显提高鼠笼式异步风力发电机组的低电压穿越能力，同样也可以改善双馈式异步风力发电机组的低电压穿越能力。

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