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(wǎng)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(nèi)能夠保持并網(wǎng)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(zhàn)。目前多個國家的風電并網(wǎng)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(guī)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(zhuǎn)子加速控制(雙饋感應電機和最優(yōu)滑差電機)以及動態(tài)無功補償。槳距角調(diào)節(jié)速度不能很好地滿足LVRT能力的要求,轉(zhuǎn)子加速控制只適用于特定類型的發(fā)電機,而動態(tài)無功補償裝置的經(jīng)濟性較差。因此,有必要研究技術和經(jīng)濟均較理想的解決方案。 不同于傳統(tǒng)的并聯(lián)制動電阻,本文介紹了利用串聯(lián)制動電阻提高風電場LVRT能力的方法,提出了基于轉(zhuǎn)速—電壓動態(tài)穩(wěn)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(tài)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(cè)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(tài)處于閉合狀態(tài),將電阻器短接。旁路開關斷開使電阻器串接入并網(wǎng)一次回路;旁路開關復歸到常態(tài)即閉合狀態(tài)使電阻器退出。旁路開關既可以是機械結(jié)構(gòu)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(tài)開關,用于平滑連續(xù)控制。本文致力于用經(jīng)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(wěn)定風電場。

  基于普通異步發(fā)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(wěn)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(fā)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(zhuǎn)子電抗,Xk=Xs+Xr。根據(jù)圖2等值電路可以得到其發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速ωg和機端電壓Ug的靜態(tài)關系。

  由于電磁功率是機端電壓平方的函數(shù),在電網(wǎng)電壓跌落時,電磁功率會明顯降低;而當轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速ωm(某電壓下最大電磁功率所對應的轉(zhuǎn)速)時,電磁功率也將隨著轉(zhuǎn)速的升高而迅速降低。正是由于機端電壓的跌落導致發(fā)電機電磁功率和機械功率的不平衡,進而導致轉(zhuǎn)子加速。轉(zhuǎn)子加速會使異步發(fā)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(wǎng)結(jié)構(gòu)變?nèi)?、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(fā)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(tǒng)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(wǎng)接入點的電壓,I?

  為發(fā)電機定子電流(設風電場由電網(wǎng)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(shù)很低時,SDBR并不能有效地提升機端電壓

  利用并聯(lián)制動電阻來改善感應發(fā)電機穩(wěn)定性,但只適用于電壓跌落較小而風電場并網(wǎng)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(yōu)點是能在電網(wǎng)發(fā)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(chǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)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(lián)電容器組;機組通過機端升壓變壓器升壓到25kV,匯集后經(jīng)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(wǎng),該電網(wǎng)由無窮大母線與等值阻抗串聯(lián)組成。

  假定故障期間風速恒定。為提供苛刻的仿真環(huán)境,不調(diào)節(jié)槳距角,不采用動態(tài)無功補償,保護裝置不動作。SDBR取10Ω。t<0:風電場穩(wěn)態(tài)運行;t=0:雙回線之一的風電場側(cè)始端發(fā)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(tài)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(zhuǎn)速—電壓動態(tài)穩(wěn)定域的SDBR投切策略簡單有效。SDBR不僅易于維護,而且可靠、經(jīng)濟。本文在無槳距控制和動態(tài)無功補償?shù)臈l件下,利用SDBR實現(xiàn)了恒速風電場的LVRT,而在實際中SDBR可用來改進現(xiàn)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(tài)無功補償配合,不僅能更好地滿足風電場為電網(wǎng)提供一定無功電壓支撐的要求,而且可以節(jié)省動態(tài)無功補償裝置的容量。