雷 鳴,廖大鵬,游大寧,劉 軍
(山東電力調(diào)度控制中心,山東 濟(jì)南 250001)
隨著風(fēng)電、光伏等發(fā)電成本的下降,可再生能源發(fā)電在電源結(jié)構(gòu)中的占比逐漸提高,風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模也在逐漸增長(zhǎng)。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)的影響也是不可忽視的。
在構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)考慮風(fēng)電機(jī)組的機(jī)型時(shí),雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)成為首選,因?yàn)樗邆溆泄蜔o(wú)功功率獨(dú)立控制、可變速運(yùn)行及勵(lì)磁變流器容量小等特征[1]。而對(duì)于沒(méi)有低電壓穿越(LVRT)能力的風(fēng)電機(jī)組,當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到一定值時(shí),為了保護(hù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安全,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)自動(dòng)脫網(wǎng),這在風(fēng)力發(fā)電所占比例不高的電網(wǎng)中是可以接受的,但隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加,大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)電壓和頻率的崩潰,引發(fā)更加嚴(yán)重的電網(wǎng)事故[2]。 隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增加,接入電網(wǎng)的大容量風(fēng)電機(jī)組能夠在電網(wǎng)故障下不間斷并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是十分重要的,因此,越來(lái)越多的國(guó)家在其風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則中明確要求風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越能力[3-4]。
本文采用某一地區(qū)的實(shí)際電網(wǎng)模型,以某一風(fēng)電場(chǎng)為基礎(chǔ),運(yùn)用PSCAD仿真分析軟件,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越及其對(duì)故障點(diǎn)短路電流的影響進(jìn)行分析。
該地區(qū)地處渤海海峽,具有天然的充足的風(fēng)力資源,目前地區(qū)境內(nèi)已有5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行,其中,風(fēng)電場(chǎng)1(27.2 MW)經(jīng)110 kV海底電纜與主網(wǎng)并列,風(fēng)電場(chǎng)2(33.45 MW)則梯次接入110 kV變電站1號(hào)主變壓器中低壓側(cè),為了研究電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響及風(fēng)機(jī)的低電壓穿越特性及其對(duì)故障點(diǎn)短路電流的影響,將該地區(qū)所有風(fēng)電場(chǎng)在PSCAD仿真環(huán)境中用1臺(tái)風(fēng)機(jī)等值,不考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部所造成的損耗,風(fēng)機(jī)模型采用雙饋風(fēng)機(jī)模型。等值后的系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1 仿真模型
風(fēng)機(jī)額定容量為1MW,風(fēng)速設(shè)為11.5m/s,首先,在穩(wěn)態(tài)情況下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真。
圖2所示為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,并網(wǎng)線(xiàn)路上的傳輸功率和電壓,可見(jiàn),在風(fēng)速11.5 m/s時(shí),風(fēng)機(jī)輸出有功為1 MW,而由并網(wǎng)線(xiàn)路向系統(tǒng)傳輸?shù)臒o(wú)功功率為15 Mvar左右,這是由于電纜的充電功率造成的,電纜發(fā)出的充電功率隨運(yùn)行電壓在15~18 Mvar之間變化。
圖2 穩(wěn)態(tài)情況下并網(wǎng)線(xiàn)路傳輸功率、電壓波形
圖3為機(jī)端有功、無(wú)功及電壓曲線(xiàn),本模型中雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)為1.0,即穩(wěn)態(tài)情況下既不發(fā)出也不吸收無(wú)功。機(jī)端額定電壓為0.69 kV。
圖4中Ir為雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流;S1為Crowbar電路控制信號(hào),1為接入,0為切除;Ecap為變流器直流母線(xiàn)電壓。
在110 kV變電站母線(xiàn)處設(shè)置三相短路故障,故障持續(xù)時(shí)間0.4 s。風(fēng)機(jī)采用Crowbar保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越,Crowbar電阻取4 Ω,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖3 穩(wěn)態(tài)情況下機(jī)端有功、無(wú)功及電壓波形
圖4 穩(wěn)態(tài)情況下轉(zhuǎn)子電流及直流母線(xiàn)電壓
圖5 Crowbar保護(hù)電路模型
仿真結(jié)果如圖6~圖8所示。
圖6 三相短路故障時(shí)傳輸線(xiàn)功率、電壓波形
圖6中,由于并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓跌落100%,電纜充電功率隨運(yùn)行電壓變化為0,所以故障期間并網(wǎng)線(xiàn)路上的無(wú)功功率為零。
圖7 三相短路故障時(shí)機(jī)端功率、電壓波形
從圖7可以看出,三相短路故障使機(jī)端電壓跌落100%,在2.4 s故障切除后,雙饋風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功以恢復(fù)磁鏈。
圖8 三相短路故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流及直流母線(xiàn)電壓波形
S1為Crowbar保護(hù)電路控制信號(hào),通過(guò)一個(gè)滯環(huán)比較器產(chǎn)生,滯環(huán)比較器的帶寬大小決定著轉(zhuǎn)子變流器電流能否準(zhǔn)確限定在極限值以下,理論上帶寬越小越好,但帶寬太小會(huì)使IGBT開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高,影響Crowbar電路穩(wěn)定性,本仿真中,設(shè)轉(zhuǎn)子電流大于1 kA時(shí)接入保護(hù)電路以保護(hù)變流器,小于0.5 kA時(shí)將保護(hù)電路切除并使變流器恢復(fù)導(dǎo)通。
Crowbar電路接入期間,變流器直流母線(xiàn)電壓如圖8所示,Crowbar電路切除后,變流器接入,電容向轉(zhuǎn)子側(cè)變流器放電,直流母線(xiàn)電壓下降。
以上三相短路故障分析中,Crowbar阻值為4 Ω,現(xiàn)將其增大為20 Ω進(jìn)行仿真,所得機(jī)端無(wú)功與轉(zhuǎn)子電流波形如圖9所示。
圖9 Crowbar電阻20 Ω時(shí)機(jī)端功率、轉(zhuǎn)子電流波形
對(duì)比Crowbar電阻為4 Ω時(shí)的轉(zhuǎn)子電流可知,Crowbar阻值增大能夠有效的抑制轉(zhuǎn)子側(cè)的短路電流。
3.1.1 三相短路故障
當(dāng)風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力時(shí),測(cè)得故障點(diǎn)短路電流波形如圖10所示(以A相為例)。
圖10 110 kV母線(xiàn)三相短路故障點(diǎn)短路電流波形
短路電流的最大值在故障發(fā)生后半個(gè)周期時(shí)出現(xiàn),由圖10可知,當(dāng)風(fēng)機(jī)具備電壓穿越能力時(shí),故障點(diǎn)短路電流最大值為14.98 kA。
若風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力,故障發(fā)生時(shí),為了保護(hù)設(shè)備安全,風(fēng)電機(jī)組被切除,此時(shí)的故障點(diǎn)短路電流波形如圖11所示,故障點(diǎn)的最大短路電流為15.02 kA。
圖11 風(fēng)機(jī)切機(jī)后故障點(diǎn)短路電流波形
3.1.2 兩相短路故障
風(fēng)機(jī)具備LVRT能力,故障點(diǎn)短路電流波形為圖12所示。
圖12 風(fēng)機(jī)低電壓穿越期間故障點(diǎn)短路電流
當(dāng)110 kV母線(xiàn)發(fā)生兩相短路故障,風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力時(shí),故障點(diǎn)短路電流的最大值為12.84kA。
圖13為風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力的短路電流波形。當(dāng)110 kV母線(xiàn)發(fā)生兩相短路故障,風(fēng)機(jī)切機(jī)后,故障點(diǎn)的最大短路電流為12.81 kA。
3.2.1 三相短路故障
風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力,故障點(diǎn)短路電流波形如圖14所示。故障點(diǎn)短路電流最大值為5.60 kA。
圖13 兩相短路故障風(fēng)機(jī)切機(jī)后短路電流波形
圖14 機(jī)端三相短路故障時(shí)低穿期間短路電流波形
風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力,故障時(shí)切機(jī),短路電流波形如圖15所示。其短路電流最大值為5.56 kA。
圖15 短路故障切機(jī)后故障點(diǎn)短路電流波形
3.2.2 兩相短路
風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力,故障點(diǎn)短路電流波形如圖16所示。短路電流最大值為4.80 kA。
圖16 機(jī)端兩相短路風(fēng)機(jī)低穿期間短路電流波形
圖17 機(jī)端兩相短路風(fēng)機(jī)切機(jī)短路電流波形
風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力,故障時(shí)切機(jī),其短路電流波形如圖17所示。其短路電流最大值為4.76 kA。
風(fēng)機(jī)低電壓穿越期間向故障點(diǎn)提供短路電流,風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流的大小與故障點(diǎn)位置同風(fēng)電場(chǎng)的電氣距離有關(guān)。相同類(lèi)型的故障,越接近風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流越大,同時(shí),系統(tǒng)貢獻(xiàn)的短路電流越小。
故障點(diǎn)短路電流的大小與故障類(lèi)型和故障點(diǎn)位置有關(guān)。相同類(lèi)型的故障,越靠近電網(wǎng),短路電流越大;相同位置的故障,三相短路故障引起的短路電流最大。
[1] Tao Sun,Z Chen.Transient Analysis of Grid 一 Connected Wind Turbines With DFIG after An External Short Circuit Fault [C].Nordic Wind Power Conference,l-2,MARCH,2004,1-6.
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