风电场的低电压穿越(LVRT)能力或故障穿越(FRT)能力是指,在电网故障期间风电机组端电压降低到一定值的情况下,风电场或风电机组在一定时间范围内能够保持并网不间断运行的能力,这被认为是对风电机组设计制造技术的最大挑战。目前多个国家的风电并网导则都相继对风电场提出了LVRT等更严格的技术要求,甚至用常规电源的标准来要求风电场。 采用不同类型风电机组的风电场具有不同的LVRT能力。目前用来提高风电场LVRT能力的措施有桨距控制、转子加速控制(双馈感应电机和最优滑差电机)以及动态无功补偿。桨距角调节速度不能很好地满足LVRT能力的要求,转子加速控制只适用于特定类型的发电机,而动态无功补偿装置的经济性较差。因此,有必要研究技术和经济均较理想的解决方案。 不同于传统的并联制动电阻,本文介绍了利用串联制动电阻提高风电场LVRT能力的方法,提出了基于转速—电压动态稳定域的制动电阻投切策略,并针对基于恒速风电机组的典型风电场模型进行了暂态仿真。

1 SDBR的作用原理及仿真分析

1.1 风电场典型模型

图1为风电场典型模型,风电场出口升压变压

  器的低压侧装有SDBR。SDBR既可在风电场出口集中安装,也可在各机组出口分布安装,这取决于不同电压和容量制动电阻的成本及可用的安装地点。SDBR由电阻器、旁路开关和控制器组成。旁路开关在常态处于闭合状态,将电阻器短接。旁路开关断开使电阻器串接入并网一次回路;旁路开关复归到常态即闭合状态使电阻器退出。旁路开关既可以是机械结构的断路器,用于离散控制,也可以是基于电力电子技术的固态开关,用于平滑连续控制。本文致力于用经济的设备和简单的操作来可观地提高风电场的LVRT能力,采用断路器的一次投切来稳定风电场。

  基于普通异步发电机的恒速风电机组LVRT能力很差;变速风电机组具有较好的LVRT能力,但在机端电压严重降低时其稳定性也不能保证。本文采用恒速风电机组作为典型模型来分析。普通异步发电机简化等值电路如图2所示。记Ug为机端电压,s为滑差,Xs为定子电抗,Xm为激磁电抗,Xr为转子电抗,Xk=Xs+Xr。根据图2等值电路可以得到其发出的有功功率Pe(近似为电磁功率PE)、无功功率Qe分别为:

1.2 SDBR对LVRT的影响

  由式(1)可得到基于转速—电压平面的电磁功率等值图,如图3所示,它描述了电磁功率PE与转速ωg和机端电压Ug的静态关系。

  由于电磁功率是机端电压平方的函数,在电网电压跌落时,电磁功率会明显降低;而当转速超过临界转速ωm(某电压下最大电磁功率所对应的转速)时,电磁功率也将随着转速的升高而迅速降低。正是由于机端电压的跌落导致发电机电磁功率和机械功率的不平衡,进而导致转子加速。转子加速会使异步发电机吸收更多的无功功率,同时由于故障线路跳闸导致电网结构变弱、无功消耗增加,进一步加剧了机端电压的下降。若不采取有效措施,最终可能导致机端电压无法恢复,发电机有功功率也无法恢复到故障前的出力水平,直至电压崩溃、机组超速。

  在系统故障时,SDBR的直接作用是提升机端电压。图4中,U?

  g为机端电压,U?

  S为电网接入点的电压,I?

  为发电机定子电流(设风电场由电网吸收感性无功而电流超前电压),U?

  g较U?

  S升高量约为I?RSDBR。当功率因数很低时,SDBR并不能有效地提升机端电压

  利用并联制动电阻来改善感应发电机稳定性,但只适用于电压跌落较小而风电场并网线路功率传输极限受到限制的情况,对电磁功率的提升并不可观。而SDBR最大的优点是能在电网发生严重故障而电压跌落很低的情况下,利用很大的短路电流在制动电阻上产生可观的压降进而明显提升机端电压,电磁功率会获得可观的提高,SDBR的接入将有效抑制转子加速。

1.3 仿真分析

  利用MATLAB/Simulink建立如图5所示的基于恒速风电机组的风电场并网运行仿真模型:风电场总装机容量为9MW,包含6台1.5MW风电机组(图5中合并成IG和T1以简化示意图),机端并联电容器组;机组通过机端升压变压器升压到25kV,汇集后经过SDBR再由T2升压到120kV。风电场送端120kV母线接有100MW综合负荷。风电场由双回交流线接入电网,该电网由无穷大母线与等值阻抗串联组成。

  假定故障期间风速恒定。为提供苛刻的仿真环境,不调节桨距角,不采用动态无功补偿,保护装置不动作。SDBR取10Ω。t<0:风电场稳态运行;t=0:双回线之一的风电场侧始端发生三相短路故障;t=0.1s:SDBR投入(假设SDBR投切控制器和旁路开关总延时为0.1s);t=0.3s:故障线路被切除;t=1.1s:SDBR退出。图6比较了有、无SDBR情况下风电场的不同动态行为。0

  SDBR能有效地提高风电机组的端电压,吸收过剩有功功率而不消耗无功功率,可观地提高了风电场的LVRT能力,基于转速—电压动态稳定域的SDBR投切策略简单有效。SDBR不仅易于维护,而且可靠、经济。本文在无桨距控制和动态无功补偿的条件下,利用SDBR实现了恒速风电场的LVRT,而在实际中SDBR可用来改进现有风电场:与桨距控制配合,可以减轻甚至消除LVRT对桨距控制的依赖;与动态无功补偿配合,不仅能更好地满足风电场为电网提供一定无功电压支撑的要求,而且可以节省动态无功补偿装置的容量。