風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電機(jī)組端電壓降低到一定值的情況下,風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)電機(jī)組在一定時(shí)間范圍內(nèi)能夠保持并網(wǎng)不間斷運(yùn)行的能力,這被認(rèn)為是對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。目前多個(gè)國(guó)家的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則都相繼對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提出了LVRT等更嚴(yán)格的技術(shù)要求,甚至用常規(guī)電源的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求風(fēng)電場(chǎng)。 采用不同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)具有不同的LVRT能力。目前用來(lái)提高風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的措施有槳距控制、轉(zhuǎn)子加速控制(雙饋感應(yīng)電機(jī)和最優(yōu)滑差電機(jī))以及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。槳距角調(diào)節(jié)速度不能很好地滿(mǎn)足LVRT能力的要求,轉(zhuǎn)子加速控制只適用于特定類(lèi)型的發(fā)電機(jī),而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)性較差。因此,有必要研究技術(shù)和經(jīng)濟(jì)均較理想的解決方案。 不同于傳統(tǒng)的并聯(lián)制動(dòng)電阻,本文介紹了利用串聯(lián)制動(dòng)電阻提高風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的方法,提出了基于轉(zhuǎn)速—電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定域的制動(dòng)電阻投切策略,并針對(duì)基于恒速風(fēng)電機(jī)組的典型風(fēng)電場(chǎng)模型進(jìn)行了暫態(tài)仿真。

1、SDBR的作用原理及仿真分析

1.1、風(fēng)電場(chǎng)典型模型

圖1為風(fēng)電場(chǎng)典型模型,風(fēng)電場(chǎng)出口升壓變壓

器的低壓側(cè)裝有SDBR。SDBR既可在風(fēng)電場(chǎng)出口集中安裝,也可在各機(jī)組出口分布安裝,這取決于不同電壓和容量制動(dòng)電阻的成本及可用的安裝地點(diǎn)。SDBR由電阻器、旁路開(kāi)關(guān)和控制器組成。旁路開(kāi)關(guān)在常態(tài)處于閉合狀態(tài),將電阻器短接。旁路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)使電阻器串接入并網(wǎng)一次回路;旁路開(kāi)關(guān)復(fù)歸到常態(tài)即閉合狀態(tài)使電阻器退出。旁路開(kāi)關(guān)既可以是機(jī)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(shù)的固態(tài)開(kāi)關(guān),用于平滑連續(xù)控制。本文致力于用經(jīng)濟(jì)的設(shè)備和簡(jiǎn)單的操作來(lái)可觀地提高風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力,采用斷路器的一次投切來(lái)穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)。

基于普通異步發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組LVRT能力很差;變速風(fēng)電機(jī)組具有較好的LVRT能力,但在機(jī)端電壓嚴(yán)重降低時(shí)其穩(wěn)定性也不能保證。本文采用恒速風(fēng)電機(jī)組作為典型模型來(lái)分析。普通異步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化等值電路如圖2所示。記Ug為機(jī)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(wú)功功率Qe分別為:

1.2、SDBR對(duì)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(jī)端電壓Ug的靜態(tài)關(guān)系。

、

由于電磁功率是機(jī)端電壓平方的函數(shù),在電網(wǎng)電壓跌落時(shí),電磁功率會(huì)明顯降低;而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速ωm(某電壓下最大電磁功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速)時(shí),電磁功率也將隨著轉(zhuǎn)速的升高而迅速降低。正是由于機(jī)端電壓的跌落導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁功率和機(jī)械功率的不平衡,進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速。轉(zhuǎn)子加速會(huì)使異步發(fā)電機(jī)吸收更多的無(wú)功功率,同時(shí)由于故障線路跳閘導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變?nèi)�、無(wú)功消耗增加,進(jìn)一步加劇了機(jī)端電壓的下降。若不采取有效措施,最終可能導(dǎo)致機(jī)端電壓無(wú)法恢復(fù),發(fā)電機(jī)有功功率也無(wú)法恢復(fù)到故障前的出力水平,直至電壓崩潰、機(jī)組超速。

在系統(tǒng)故障時(shí),SDBR的直接作用是提升機(jī)端電壓。圖4中,U_g為機(jī)端電壓,U_S為電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓,I為發(fā)電機(jī)定子電流(設(shè)風(fēng)電場(chǎng)由電網(wǎng)吸收感性無(wú)功而電流超前電壓),U_g較U_S升高量約為IR_SDBR。當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí),SDBR并不能有效地提升機(jī)端電壓

利用并聯(lián)制動(dòng)電阻來(lái)改善感應(yīng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性,但只適用于電壓跌落較小而風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路功率傳輸極限受到限制的情況,對(duì)電磁功率的提升并不可觀。而SDBR最大的優(yōu)點(diǎn)是能在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)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(dòng)電阻上產(chǎn)生可觀的壓降進(jìn)而明顯提升機(jī)端電壓,電磁功率會(huì)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(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真模型:風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為9MW,包含6臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組(圖5中合并成IG和T1以簡(jiǎn)化示意圖),機(jī)端并聯(lián)電容器組;機(jī)組通過(guò)機(jī)端升壓變壓器升壓到25kV,匯集后經(jīng)過(guò)SDBR再由T2升壓到120kV。風(fēng)電場(chǎng)送端120kV母線接有100MW綜合負(fù)荷。風(fēng)電場(chǎng)由雙回交流線接入電網(wǎng),該電網(wǎng)由無(wú)窮大母線與等值阻抗串聯(lián)組成。

假定故障期間風(fēng)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,保護(hù)裝置不動(dòng)作。SDBR取10Ω。t<0:風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行;t=0:雙回線之一的風(fēng)電場(chǎng)側(cè)始端發(fā)生三相短路故障;t=0.1s:SDBR投入(假設(shè)SDBR投切控制器和旁路開(kāi)關(guān)總延時(shí)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(wú)SDBR情況下風(fēng)電場(chǎng)的不同動(dòng)態(tài)行為。0

SDBR能有效地提高風(fēng)電機(jī)組的端電壓,吸收過(guò)剩有功功率而不消耗無(wú)功功率,可觀地提高了風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力,基于轉(zhuǎn)速—電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定域的SDBR投切策略簡(jiǎn)單有效。SDBR不僅易于維護(hù),而且可靠、經(jīng)濟(jì)。本文在無(wú)槳距控制和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)臈l件下,利用SDBR實(shí)現(xiàn)了恒速風(fēng)電場(chǎng)的LVRT,而在實(shí)際中SDBR可用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng):與槳距控制配合,可以減輕甚至消除LVRT對(duì)槳距控制的依賴(lài);與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償配合,不僅能更好地滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)為電網(wǎng)提供一定無(wú)功電壓支撐的要求,而且可以節(jié)省動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量。