小型风电场接入城市电网后的低电压穿越特性研究

曾华初

（广东电网公司珠海供电局，广东 珠海 519000）

小型风电场接入城市电网后的低电压穿越特性研究

曾华初

（广东电网公司珠海供电局，广东 珠海 519000）

由于国家政策的大力支持，风力发电得到了迅速发展。一些拥有足够风力资源的城市新建了风力发电场，并将风电场的发电直接输入城市电网。本文以珠海市横琴风电场为例，分析了城市电网发生故障时对风电场的影响，并采用了一种提高风电场风机低电压穿越能力的方法，通过PSCAD/EMTDC软件建模仿真进行了验证。

风力发电；城市电网；低电压穿越；撬棒电路

1 引言

随着化石能源的逐渐枯竭和自然环境的日益恶化，新能源发电受到了世界各国的广泛关注，其中风电以其特有的优势获得了最为迅速的发展。我国在近十年来新建了大量风力发电场，不仅包含位于西北部的大型风电场，也包括位于东南沿海城市周边的小型风电场。对于接入城市电网的小型风电场，由于输电距离短﹑城市电网故障频发，其低电压穿越能力显得尤为重要。广东省珠海市横琴风电场位于珠海市横琴岛脑背山山体四周，所发电量主要在横琴岛就地消化，属于此类小型风电场的典型代表，针对其低电压穿越能力的研究具有典型意义。

表1 分布式电源并网的电压等级

图1 低电压穿越标准

图2 撬棒电路原理图

2 风电场低电压穿越能力概述

风电场低电压穿越能力，即交流电网发生故障导致风力发电场接入电网点电压跌落后，风电场保持不脱网并在故障消除后恢复风功率传输的能力。

世界各国通用的风电场低电压穿越标准如图 1所示。图中U为风电场并网点交流电压值，UN为其额定值，Umin为不允许风电场脱网的最低电压值，tLVRT为不允许风电场脱网的最长时间。

故障发生后，当风电场与城市电网的并网点电压值位于图 1阴影部分以上时，不允许风电场脱网。各个国家的风电场低电压穿越标准有所不同，一般来说，Umin/ UN应选取为15%～25%之间，tLVRT应选取为0.5s～3s之间。只有当并网点电压下降至Umin以下或故障时间超过tLVRT时，才允许风电场的风力发电机从城市电网切断。

可将连接至城市电网的风电场低电压穿越要求归结为：

（1）保持城市电网故障期间不脱网运行，以防风力发电机解列引发城市电网更大的后继故障；

（2）连续﹑稳定地提供无功功率以协助城市电网电压恢复，减小城市电网电压崩溃的可能性；

（3）释放剩余能量，抑制故障电流；

（4）延缓风力发电机转速上升，防止飞车。

3 小型风电场并入城市电网实例分析

3.1 实例分析

珠海市横琴风电场采用直接接入城市电网的模式，为横琴岛提供负荷电源。根据规定，分布式电源接入城市电网电压等级如表 1所示。

横琴风电场一期建设规模为15.75MW，应当通过两回以上电缆线路并入20kV城市电网。目前横琴风电场内共有5回集电线路汇集电能，然后经过2回10kV电缆线路（风电甲﹑乙线）接入石山站10kV母线，不符合表 1的规定；不过，根据横琴新区的规划，110kV石山站不久将退出运行，横琴新区也将全面采用220kV/20kV电压等级，届时横琴风电场并网电压等级将满足规定的要求。

除电压等级要求外，并入城市电网的小型风电场还应当满足有功功率控制的要求：通过20kV电压等级并网的分布式电源，应当具备有功功率调节能力，并能根据电网频率值﹑电网调度机构指令值等信号调节电源的有功功率输出，确保分布式电源最大输出功率及功率变化率不超过电网调度机构的给定值，以确保电网故障或特殊运行方式时电力系统的稳定。

本文以未来的横琴新区20kV电网为例，研究横琴风电场并入城市电网后的低电压穿越问题。

3.2 低电压穿越方法

现代电网规范要求风力发电系统低电压穿越能力不得低于被其取代的传统发电方式，所以各国的风电设备生产生及相关科研机构都对风电设备的低电压穿越运行进行了大量研究，提出了各种低电压穿越技术。常规的风电场低电压穿越技术包括不需添加硬件设备的控制改进方法和需要安装硬件设备的硬件方法。常规的控制改进方法包括改进的矢量控制﹑改进的鲁棒控制等方法；常规的硬件方法包括定子侧电阻阵列﹑直流母线撬棒电路等方法。

改进的矢量控制和鲁棒控制方法不仅包含传统矢量控制和鲁棒控制方法能够实现有功﹑无功的独立控制﹑具备一定的抗干扰能力的优点，还解决了电网电压大幅度跌落时PI控制器易出现饱和的问题，但其控制效果往往受到励磁变频器容量的限制。

定子侧电阻阵列的方法改进于定子侧开关法。定子侧开关法具备可以避免电网电压骤降和骤升对风机冲击的优点，但它并非是真正意义上的不脱网运行，由于其关键器件容量较小，该方法对电网恢复的作用非常有限。定子侧电阻阵列由一系列与交流开关并联的电阻阵列构成，其优点在于可以在电网电压跌落的情况下保持风力发电机与电网的连接，缺点是需要使用大量大功率晶闸管，硬件成本高﹑电阻损耗大。

考虑到可行性和经济性，本文采用在直流母线安装撬棒电路的方法实现并入城市电网的小型风电场的低电压穿越。

本文采用的撬棒电路如图 2所示，图中，Rcrowbar为撬棒电路阻尼电阻。

该撬棒电路与每台风机直流母线电容并联，当风电场并网点发生电压跌落致使风功率无法外送时，各风机直流母线电压升高；该电压超过一定限值时，撬棒电路中原本开断的串联IGBT阀组被触发闭合，投入阻尼电阻，消耗无法外送的风功率，保证风机不脱网，且释放能量﹑降低风机受损的可能。

4 仿真分析

通过PSCAD/EMTDC建立小型风电场接入城市电网的仿真模型，城市电网并网点额定电压设置为20kV，满足分布式电源接入电网电压等级的要求；通过锁相环环节实时跟踪城市电网频率﹑采用桨距角控制和换流器有功功率控制方式确保风电场输出功率满足分布式电源有功功率控制的要求。0s～1.0s，风力发电场完成并网，系统运行于稳态；考虑最严重的情况，1.0s时刻，风电场并网点发生经大电阻三相相间短路故障，故障持续时间为0.1s。

图 3 并网点交流电压仿真波形（无撬棒）

图 4 风机母线直流电压仿真波形（无撬棒）

图 5 并网点交流电压仿真波形（有撬棒）

图 6 风机母线直流电压仿真波形（有撬棒）

4.1 无撬棒电路

当风电场中风力发电机未安装撬棒电路时，仿真波形如图 3﹑图 4所示，其中图 3为风电场与城市电网并网点三相电压波形，图 4为风机直流母线电压波形。可见，1.0s～1.1s间，故障发生，并网点电压跌落，并产生电压尖峰；风电场功率无法外送，风机直流母线电压上升至1.8倍标幺值左右，对风机安全造成严重威胁。

4.2 有撬棒电路

在风机直流母线电容处安装并联撬棒电路，以1.1倍直流电压标幺值作为撬棒电路动作阈值。故障发生后极短时间内，直流电压上升至动作阈值，撬棒电路投入，仿真波形如图 5﹑图 6所示。

观察图 5可知，1.1s时由于故障消除而产生的交流电压尖峰峰值有所降低，三相交流电压也在1.2s左右恢复到故障前正常值；由图 6可见，撬棒电路的投入达到了吸收风电场功率的效果，直流电压最高值由1.8倍标幺值下降至1.1倍标幺值左右，在释放了风机剩余能量的同时抑制了过电压，大大降低了了并网点短路故障对风机造成损害的可能性。

结语

横琴风力发电场是一个典型的小型风电场接入城市电网的案例，其低电压穿越能力具有重要的研究意义。本文采用在风力发电机直流母线侧安装撬棒电路的方法，提高风电场的低电压穿越能力。仿真研究结果表明，该方法不仅大大提高了风电场的低电压穿越能力，使得风电场达到了低电压穿越标准，在故障发生期间不脱网运行，也释放了故障期间无法外送的风功率，抑制了风机直流母线电压上升，减轻了城市电网故障可能对风机造成的损害。

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