樊小朝，王維慶

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊市830047；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047)

具有低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性及影響因素分析研究

樊小朝1，2，王維慶1，2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊市830047；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047)

在PSCAD平臺(tái)下構(gòu)建了具有低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，仿真分析了不同低電壓穿越模式下的機(jī)組穿越特性和故障特性，并仿真驗(yàn)證了上述影響因素對(duì)機(jī)組故障電流的影響。指出傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子Crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉(zhuǎn)子Crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。在風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)配置和整定時(shí)需考慮上述因素的影響。

雙饋風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；故障特性；影響因素；風(fēng)力發(fā)電

0 引 言

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由其優(yōu)越性成為主流機(jī)型廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)。雙饋風(fēng)電機(jī)組的特殊結(jié)構(gòu)和控制策略，導(dǎo)致其故障特性與常規(guī)發(fā)電機(jī)的故障特性存在明顯差異。而其低電壓穿越特性及具備LVRT的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性更值得研究，將為保護(hù)整定配置提供一定參考。

目前實(shí)現(xiàn)低電壓穿越技術(shù)方法主要概況為控制策略和增加硬件設(shè)備兩個(gè)方面。轉(zhuǎn)子側(cè)LVRT技術(shù)方法是當(dāng)今的主流技術(shù)。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)機(jī)組低電壓穿越及故障特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1- 8]對(duì)基于轉(zhuǎn)子Crowbar電路實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT方面研究較多，主要在Crowbar阻值大小，投切方法及投切時(shí)間方面進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[9]指出雙饋風(fēng)電機(jī)組投入轉(zhuǎn)子Crowbar電路，故障電流頻率受當(dāng)前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響而變?yōu)榉枪ゎl，對(duì)基于工頻傅氏算法的保護(hù)性能產(chǎn)生較大影響。文獻(xiàn)[10- 12]提出采用非轉(zhuǎn)子LVRT技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組低電壓穿越能力，表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。然而對(duì)于具備低電壓穿越能力的雙饋機(jī)組故障特性及影響因素未做系統(tǒng)分析和研究。

在PSCAD平臺(tái)上搭建了含雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)模型，仿真驗(yàn)證了雙饋風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力。對(duì)具備低電壓穿越能力的雙饋機(jī)組故障特性及影響因素做了系統(tǒng)的分析和研究。從風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行運(yùn)行方式、故障類型、無功補(bǔ)償、風(fēng)電機(jī)組無功控制策略、風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和仿真驗(yàn)證。

1 建立模型

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策略

1.1.1 低電壓穿越策略1(Crowbar 電路)

目前雙饋風(fēng)電機(jī)組較多的采用Crowbar 電路實(shí)現(xiàn)LVRT。在故障期間Crowbar電路觸發(fā)將轉(zhuǎn)子變流器短接，保護(hù)變流器，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的不間斷運(yùn)行。

1.1.2 低電壓穿越策略2(非Crowbar 電路)

傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組采用Crowbar 電路實(shí)現(xiàn)LVRT，但存在一些缺點(diǎn)：發(fā)生故障后，Crowbar 電路動(dòng)作，DFIG的運(yùn)行特性近似于傳統(tǒng)的恒速異步發(fā)電機(jī)，從電網(wǎng)消耗無功，不利于故障切除后電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。因此本文提出一種“DC-Chopper+定子制動(dòng)電阻SDBR+網(wǎng)側(cè)無功控制”的新策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)Crowbar電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的低電壓穿越。如圖1所示。

圖1 基于新策略的LVRT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組建模

在PSCAD軟件中搭建單機(jī)1.5 MW的并網(wǎng)雙饋風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)為：空氣密度ρ=1.229 km/m3，葉片半徑R=29 m，掃風(fēng)面積A=2 827 m2，額定風(fēng)速11 m/s，定子電阻Rs=0.005 87(p.u.)、轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.002 09(p.u.)，定子電抗Xs=0.097 6(p.u.)，轉(zhuǎn)子電抗Xr=0.163(p.u.)，互感電抗Xm=5.139 5(p.u.)，制動(dòng)電阻SDBR取值為0.3 Ω，DC-Chopper電路觸發(fā)值為直流母線電壓的1.1倍。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性

基于上述控制策略及低電壓穿越策略，在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建模型，在t=2.0 s時(shí)機(jī)組升壓變高壓側(cè)電壓跌落至0.2p.u，在2.625 s時(shí)電壓跌落結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為0.625 s。仿真波形如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT特性

仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的crowbar控制策略無法在電壓跌落跌落程度較嚴(yán)重的情況下無法實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，而本文采取的控制策略可以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

3 具有LVRT的雙饋機(jī)故障特性

3.1 風(fēng)電運(yùn)行方式

在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，因運(yùn)行風(fēng)速、風(fēng)機(jī)控制策略及檢修維護(hù)投切機(jī)組比例的變化導(dǎo)致風(fēng)電運(yùn)行方式的多變?；诖罱ǖ哪Ｐ停?s時(shí)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障，故障時(shí)間持續(xù)0.1 s，仿真分析三種運(yùn)行方式下風(fēng)電場(chǎng)主變電壓側(cè)三相短路故障特性。

方式1，2臺(tái)機(jī)組在風(fēng)速12 m/s下出力3 MW；方式2，4臺(tái)機(jī)組在風(fēng)速9 m/s下出力3 MW；方式3，4臺(tái)機(jī)組在風(fēng)速12 m/s下出力6 MW。仿真結(jié)果：相同投運(yùn)機(jī)組數(shù)目不同出力下，出力大小對(duì)故障電流的大小無明顯影響；相同出力不同投運(yùn)機(jī)組下，投運(yùn)機(jī)組數(shù)目決定故障電流的大小，投運(yùn)機(jī)組數(shù)目越多，故障電流就越大。相應(yīng)保護(hù)整定時(shí)需考慮風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組投切機(jī)比例。

3.2 無功補(bǔ)償

在相同風(fēng)速下(12 m/s)，投入8臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，2 s時(shí)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，仿真分析不同無功補(bǔ)償容量下單臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性。

圖3 不同無功補(bǔ)償容量下短路電流

由圖3可知，風(fēng)電場(chǎng)投切無功補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障電流特性有一定影響，風(fēng)電機(jī)組向故障點(diǎn)提供的故障電流隨無功補(bǔ)償容量的增大而增大。

3.3 故障類型

3.3.1 故障仿真

故障類型有：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪贰上嘟拥囟搪?、兩相及三相相短路，其中三相短路仿真如圖4所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)線三相短路

3.3.2 故障分析

根據(jù)上述仿真結(jié)構(gòu)可知，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因(見圖5)，而采用其他非轉(zhuǎn)子crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更明顯。

圖5 基于Crowbar的短路電流幅頻

3.4 機(jī)組無功控制策略

在相同風(fēng)速下(12 m/s)，投入4臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，2 s時(shí)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，仿真分析故障期間風(fēng)電機(jī)組無功控制策略不同下的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性(見圖6)。

圖6 聯(lián)絡(luò)線兩相短路

由仿真可知，故障期間風(fēng)電機(jī)組的無功控制策略對(duì)機(jī)組短路電流大小有一定影響，故障期間機(jī)組短路電流在發(fā)無功策略下較不發(fā)無功策略下的短路電流小。

3.5 機(jī)組低電壓穿越策略

基于上述相同條件，仿真分析不同低電壓穿越策略下的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性。LVRT策略1為傳統(tǒng)基于crowbar電路的低電壓穿越策略，LVRT策略2為本文提出的(非crowbar)低電壓穿越策略，仿真波形如圖7所示。

圖7 不同策略下的仿真波形

由仿真可知，風(fēng)電機(jī)組機(jī)的低電壓穿越策略不同組短路電流也不同。在保護(hù)整定時(shí)需要考慮不同低電壓穿越策略對(duì)故障電流的影響。

4 結(jié) 論

本文提出雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策略，搭建了具有低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組，仿真驗(yàn)證了雙饋風(fēng)電機(jī)組模型的正確性及具備低電壓穿越能力。在此基礎(chǔ)上，仿真了風(fēng)電機(jī)組在不同運(yùn)行條件下的故障特征，結(jié)果表明風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行運(yùn)行方式、故障類型、無功補(bǔ)償、風(fēng)電機(jī)組無功控制策略、風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策均會(huì)影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉(zhuǎn)子crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。研究成果具有一定的實(shí)際價(jià)值和意義。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Study on Failure Characteristics and Influencing Factors of Doubly-fed Wind Turbine with Low Voltage Ride-through Capability

FAN Xiaochao1，2， WANG Weiqing1，2

(1. College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， Xinjiang， China; 2. Engineering Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Technology of Ministry of Education， College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047， Xinjiang， China)

The model of doubly-fed wind turbine with low voltage ride-through capacity is built based on PSCAD platform， and then the ride-through and failure characteristics under different low voltage ride-through mode are simulated and the impacts of above factors on fault current of unit are verified by the simulation. The reason that the fault current is non-frequency is putting traditional rotor Crowbar circuit into operation， but when other non-rotor Crowbar circuit is used， the fault current frequency will be in normal working state. The side of wind farm will show weak power characteristics when the contact line of wind farm occurs any type of asymmetrical ground fault， specially under the condition of single-phase ground fault. In wind farm protection configuration and setting， these influencing factors need to be considered．

doubly-fed wind turbine; low voltage ride-through capacity; fault characteristics; influencing factor; wind power generation

2015- 03- 05

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT1285);國(guó)家自然科學(xué)基金(51267017、51106132);新疆大學(xué)博士創(chuàng)新項(xiàng)目(XJUBSCX- 201223)

樊小朝(1979—)，男，河北行唐人，講師，博士，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)研究工作．

TK721

A

0559- 9342(2015)11- 0114- 04