風電場的低電壓穿越(LVRT)能力或故障穿越(FRT)能力是指,在電網故障期間風電機組端電壓降低到一定值的情況下,風電場或風電機組在一定時間范圍內能夠保持并網不間斷運行的能力,這被認為是對風電機組設計制造技術的最大挑戰。目前多個國家的風電并網導則都相繼對風電場提出了LVRT等更嚴格的技術要求,甚至用常規電源的標準來要求風電場。 采用不同類型風電機組的風電場具有不同的LVRT能力。目前用來提高風電場LVRT能力的措施有槳距控制、轉子加速控制(雙饋感應電機和最優滑差電機)以及動態無功補償。槳距角調節速度不能很好地滿足LVRT能力的要求,轉子加速控制只適用于特定類型的發電機,而動態無功補償裝置的經濟性較差。因此,有必要研究技術和經濟均較理想的解決方案。 不同于傳統的并聯制動電阻,本文介紹了利用串聯制動電阻提高風電場LVRT能力的方法,提出了基于轉速—電壓動態穩定域的制動電阻投切策略,并針對基于恒速風電機組的典型風電場模型進行了暫態仿真。

1 SDBR的作用原理及仿真分析

1.1 風電場典型模型

圖1為風電場典型模型,風電場出口升壓變壓

  器的低壓側裝有SDBR。SDBR既可在風電場出口集中安裝,也可在各機組出口分布安裝,這取決于不同電壓和容量制動電阻的成本及可用的安裝地點。SDBR由電阻器、旁路開關和控制器組成。旁路開關在常態處于閉合狀態,將電阻器短接。旁路開關斷開使電阻器串接入并網一次回路;旁路開關復歸到常態即閉合狀態使電阻器退出。旁路開關既可以是機械結構的斷路器,用于離散控制,也可以是基于電力電子技術的固態開關,用于平滑連續控制。本文致力于用經濟的設備和簡單的操作來可觀地提高風電場的LVRT能力,采用斷路器的一次投切來穩定風電場。

  基于普通異步發電機的恒速風電機組LVRT能力很差;變速風電機組具有較好的LVRT能力,但在機端電壓嚴重降低時其穩定性也不能保證。本文采用恒速風電機組作為典型模型來分析。普通異步發電機簡化等值電路如圖2所示。記Ug為機端電壓,s為滑差,Xs為定子電抗,Xm為激磁電抗,Xr為轉子電抗,Xk=Xs+Xr。根據圖2等值電路可以得到其發出的有功功率Pe(近似為電磁功率PE)、無功功率Qe分別為:

1.2 SDBR對LVRT的影響

  由式(1)可得到基于轉速—電壓平面的電磁功率等值圖,如圖3所示,它描述了電磁功率PE與轉速ωg和機端電壓Ug的靜態關系。

  由于電磁功率是機端電壓平方的函數,在電網電壓跌落時,電磁功率會明顯降低;而當轉速超過臨界轉速ωm(某電壓下最大電磁功率所對應的轉速)時,電磁功率也將隨著轉速的升高而迅速降低。正是由于機端電壓的跌落導致發電機電磁功率和機械功率的不平衡,進而導致轉子加速。轉子加速會使異步發電機吸收更多的無功功率,同時由于故障線路跳閘導致電網結構變弱、無功消耗增加,進一步加劇了機端電壓的下降。若不采取有效措施,最終可能導致機端電壓無法恢復,發電機有功功率也無法恢復到故障前的出力水平,直至電壓崩潰、機組超速。

  在系統故障時,SDBR的直接作用是提升機端電壓。圖4中,U?

  g為機端電壓,U?

  S為電網接入點的電壓,I?

  為發電機定子電流(設風電場由電網吸收感性無功而電流超前電壓),U?

  g較U?

  S升高量約為I?RSDBR。當功率因數很低時,SDBR并不能有效地提升機端電壓

  利用并聯制動電阻來改善感應發電機穩定性,但只適用于電壓跌落較小而風電場并網線路功率傳輸極限受到限制的情況,對電磁功率的提升并不可觀。而SDBR最大的優點是能在電網發生嚴重故障而電壓跌落很低的情況下,利用很大的短路電流在制動電阻上產生可觀的壓降進而明顯提升機端電壓,電磁功率會獲得可觀的提高,SDBR的接入將有效抑制轉子加速。

1.3 仿真分析

  利用MATLAB/Simulink建立如圖5所示的基于恒速風電機組的風電場并網運行仿真模型:風電場總裝機容量為9MW,包含6臺1.5MW風電機組(圖5中合并成IG和T1以簡化示意圖),機端并聯電容器組;機組通過機端升壓變壓器升壓到25kV,匯集后經過SDBR再由T2升壓到120kV。風電場送端120kV母線接有100MW綜合負荷。風電場由雙回交流線接入電網,該電網由無窮大母線與等值阻抗串聯組成。

  假定故障期間風速恒定。為提供苛刻的仿真環境,不調節槳距角,不采用動態無功補償,保護裝置不動作。SDBR取10Ω。t<0:風電場穩態運行;t=0:雙回線之一的風電場側始端發生三相短路故障;t=0.1s:SDBR投入(假設SDBR投切控制器和旁路開關總延時為0.1s);t=0.3s:故障線路被切除;t=1.1s:SDBR退出。圖6比較了有、無SDBR情況下風電場的不同動態行為。0

  SDBR能有效地提高風電機組的端電壓,吸收過剩有功功率而不消耗無功功率,可觀地提高了風電場的LVRT能力,基于轉速—電壓動態穩定域的SDBR投切策略簡單有效。SDBR不僅易于維護,而且可靠、經濟。本文在無槳距控制和動態無功補償的條件下,利用SDBR實現了恒速風電場的LVRT,而在實際中SDBR可用來改進現有風電場:與槳距控制配合,可以減輕甚至消除LVRT對槳距控制的依賴;與動態無功補償配合,不僅能更好地滿足風電場為電網提供一定無功電壓支撐的要求,而且可以節省動態無功補償裝置的容量。