雷 鸣，廖大鹏，游大宁，刘 军

（山东电力调度控制中心，山东 济南 250001）

0 引言

随着风电、光伏等发电成本的下降，可再生能源发电在电源结构中的占比逐渐提高，风力发电的规模也在逐渐增长。大规模风电并网给电网安全运行带来的影响也是不可忽视的。

在构建风电场考虑风电机组的机型时，双馈感应发电机成为首选，因为它具备有功和无功功率独立控制、可变速运行及励磁变流器容量小等特征［1］。而对于没有低电压穿越（LVRT）能力的风电机组，当电网电压降低到一定值时，为了保护风力发电设备的安全，风力发电机组会自动脱网，这在风力发电所占比例不高的电网中是可以接受的，但随着风电装机容量的不断增加，大规模风力发电机组的脱网会造成电网电压和频率的崩溃，引发更加严重的电网事故［2］。 随着风电并网规模不断增加，接入电网的大容量风电机组能够在电网故障下不间断并网运行对于整个电力系统的安全稳定是十分重要的，因此，越来越多的国家在其风电并网导则中明确要求风电机组必须具备低电压穿越能力［3-4］。

本文采用某一地区的实际电网模型，以某一风电场为基础，运用PSCAD仿真分析软件，对风电场低电压穿越及其对故障点短路电流的影响进行分析。

1 算例描述

该地区地处渤海海峡，具有天然的充足的风力资源，目前地区境内已有5个风电场运行，其中，风电场1（27.2 MW）经110 kV海底电缆与主网并列，风电场2（33.45 MW）则梯次接入110 kV变电站1号主变压器中低压侧，为了研究电网故障对风电场的影响及风机的低电压穿越特性及其对故障点短路电流的影响，将该地区所有风电场在PSCAD仿真环境中用1台风机等值，不考虑风电场内部所造成的损耗，风机模型采用双馈风机模型。等值后的系统图如图1所示。

图1 仿真模型

2 风电场低电压穿越仿真分析

2.1 稳态情况下风电场运行情况

风机额定容量为1MW，风速设为11.5m/s，首先，在稳态情况下对风电场并网的运行情况进行仿真。

图2所示为稳态运行情况下，并网线路上的传输功率和电压，可见，在风速11.5 m/s时，风机输出有功为1 MW，而由并网线路向系统传输的无功功率为15 Mvar左右，这是由于电缆的充电功率造成的，电缆发出的充电功率随运行电压在15～18 Mvar之间变化。

图2 稳态情况下并网线路传输功率、电压波形

图3为机端有功、无功及电压曲线，本模型中双馈风机运行功率因数为1.0，即稳态情况下既不发出也不吸收无功。机端额定电压为0.69 kV。

图4中Ir为双馈风机转子电流；S1为Crowbar电路控制信号，1为接入，0为切除；Ecap为变流器直流母线电压。

2.2 电网故障时风机的LVRT特性

在110 kV变电站母线处设置三相短路故障，故障持续时间0.4 s。风机采用Crowbar保护电路实现低电压穿越，Crowbar电阻取4 Ω，其结构如图5所示。

图3 稳态情况下机端有功、无功及电压波形

图4 稳态情况下转子电流及直流母线电压

图5 Crowbar保护电路模型

仿真结果如图6～图8所示。

图6 三相短路故障时传输线功率、电压波形

图6中，由于并网线路的电压跌落100%，电缆充电功率随运行电压变化为0，所以故障期间并网线路上的无功功率为零。

图7 三相短路故障时机端功率、电压波形

从图7可以看出，三相短路故障使机端电压跌落100%，在2.4 s故障切除后，双馈风机从电网吸收无功以恢复磁链。

图8 三相短路故障时转子电流及直流母线电压波形

S1为Crowbar保护电路控制信号，通过一个滞环比较器产生，滞环比较器的带宽大小决定着转子变流器电流能否准确限定在极限值以下，理论上带宽越小越好，但带宽太小会使IGBT开关频率过高，影响Crowbar电路稳定性，本仿真中，设转子电流大于1 kA时接入保护电路以保护变流器，小于0.5 kA时将保护电路切除并使变流器恢复导通。

Crowbar电路接入期间，变流器直流母线电压如图8所示，Crowbar电路切除后，变流器接入，电容向转子侧变流器放电，直流母线电压下降。

2.3 Crowbar阻值对LVRT效果的影响

以上三相短路故障分析中，Crowbar阻值为4 Ω，现将其增大为20 Ω进行仿真，所得机端无功与转子电流波形如图9所示。

图9 Crowbar电阻20 Ω时机端功率、转子电流波形

对比Crowbar电阻为4 Ω时的转子电流可知，Crowbar阻值增大能够有效的抑制转子侧的短路电流。

3 LVRT对故障点短路电流的影响

3.1 110 kV母线故障

3.1.1 三相短路故障

当风机具备低电压穿越能力时，测得故障点短路电流波形如图10所示（以A相为例）。

图10 110 kV母线三相短路故障点短路电流波形

短路电流的最大值在故障发生后半个周期时出现，由图10可知，当风机具备电压穿越能力时，故障点短路电流最大值为14.98 kA。

若风机不具备低电压穿越能力，故障发生时，为了保护设备安全，风电机组被切除，此时的故障点短路电流波形如图11所示，故障点的最大短路电流为15.02 kA。

图11 风机切机后故障点短路电流波形

3.1.2 两相短路故障

风机具备LVRT能力，故障点短路电流波形为图12所示。

图12 风机低电压穿越期间故障点短路电流

当110 kV母线发生两相短路故障，风机具备低电压穿越能力时，故障点短路电流的最大值为12.84kA。

图13为风机不具备低电压穿越能力的短路电流波形。当110 kV母线发生两相短路故障，风机切机后，故障点的最大短路电流为12.81 kA。

3.2 机端故障

3.2.1 三相短路故障

风机具备低电压穿越能力，故障点短路电流波形如图14所示。故障点短路电流最大值为5.60 kA。

图13 两相短路故障风机切机后短路电流波形

图14 机端三相短路故障时低穿期间短路电流波形

风机不具备低电压穿越能力，故障时切机，短路电流波形如图15所示。其短路电流最大值为5.56 kA。

图15 短路故障切机后故障点短路电流波形

3.2.2 两相短路

风机具备低电压穿越能力，故障点短路电流波形如图16所示。短路电流最大值为4.80 kA。

图16 机端两相短路风机低穿期间短路电流波形

图17 机端两相短路风机切机短路电流波形

风机不具备低电压穿越能力，故障时切机，其短路电流波形如图17所示。其短路电流最大值为4.76 kA。

4 结语

风机低电压穿越期间向故障点提供短路电流，风电场提供的短路电流的大小与故障点位置同风电场的电气距离有关。相同类型的故障，越接近风电场，风电场提供的短路电流越大，同时，系统贡献的短路电流越小。

故障点短路电流的大小与故障类型和故障点位置有关。相同类型的故障，越靠近电网，短路电流越大；相同位置的故障，三相短路故障引起的短路电流最大。

［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.

［2］ 李欣.风电机组的短路电流特性及低电压穿越研究［D］.北京：华北电力大学，2009.

［3］ 李晓涛.并网型风电场的短路电流计算及低电压穿越能力分析［D］.北京：华北电力大学，2011.

［4］ 王伟，孙明冬.米晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析［J］.电力系统自动化，2007，31（23）：84-89.