恒速异步发电机型风电场低电压穿越能力仿真研究_李升

best compensation effect on LVRT ability.
Key words: wind farm; constant-speed asynchronous generator; low voltage ride-though(LVRT);
transient voltage stability; fault clearing time
PQ node. Base on the model we make some simulation analyses about LVRT ability of the wind
farm when the 3-phase grounding short circuit fault happens in the grid connected line. The research
2.1 线路 L2 首端发生短路故障 设线路 L2 首端（即风电场并网点）在时间 t=2s
时发生三相接地短路，线路保护在时间 ts（即故障切 除时间）后切除故障线路，线路不重合；仿真过程中 不考虑继电保护动作。经过反复的仿真测试可求得系 统的故障极限切除时间 tvc。由于风速具有随机性和间 歇性，从而导致机端输出电压也具有波动性，因此当 在不同时间进行仿真测试时，tvc 的大小可能会产生一
[关键词] 风电场；恒速异步发电机；低电压穿越；暂态电压稳定性；故障切除时间
[中图分类号] TM315 [文献标识码] A [文章编号] 1000-3983(2014)01-0024-04
Simulation Study on LVRT Ability of Constant-speed Asynchronous Generator-based Wind Farm LI Sheng1, WANG Jiahua2
电压跌落时保持不脱网连续运行的能力。要求风电场 跳闸时间及保证具有一定时间裕度的基础上总结出
及风电机组具有 LVRT 能力的主要目的是为了防止电 的。同时规程还规定风电场并网点电压在短路故障发
网故障时风电机组切机及反复并网可能带来的安全稳 生 2s 后能够恢复到标称电压的 90%及以上。
定问题。
目前风电场采用的风电机组主要有两种类型，一
无穷大系统
图 2 风电场接入大电网
如图 2 所示的一个风电场—无穷大系统，风电场 采用同型号的恒速恒频异步风力发电机组，一机一箱 变接线，汇集后经 10.5kV 场内线路接入主升压变，再 经过 110kV 双回输电线路接入电网。
单台恒速恒频异步风力发电机参数：额定容量 2MVA，额定电压 0.69kV，rs=0.048p.u.，xs=0.075p.u.， rr=0.018p.u.，xr=0.12p.u.，xm=3.8p.u.，Hm=2.5s。风电 场由 10 台机组组成，额定容量达 20MVA。
并网点电压/p.u.
Βιβλιοθήκη Baidut/s
图1 风电场低电压穿越要求
本文运用PSAT软件对一个恒速异步发电机型风 电场—无穷大系统中风电场的LVRT能力进行仿真研 究，从系统暂态电压稳定性的角度研究风电场的LVRT 问题，探讨故障切除时间对各种情况下风电场LVRT 能力的影响。
1 算例介绍
等值风电机
箱变 场内线路 主变
results show that wind farm’s LVRT ability mostly depends on the ability of maintaining transient
voltage stability after the fault happened, namely depends on the fault clearing time ts. When ts is shorter than or equal to the fault critical clearing time tvc, the wind farm can have a certain LVRT ability and the greater tvc can improve the duration time of LVRT. When ts≤tvc , the shorter the fault clearing time ts is, the faster the voltage of grid connected bus recovers. When the terminal bus of the asynchronous generator parallels capacitor bank, SVC or STATCOM, the tvc can be increased effectively and the ability of LVRT can be improved obviously, and the STATCOM can obtain the
入系统线路发生三相接地短路故障时的风电场低电压穿越(LVRT)能力进行了仿真分析，研究结果显示风电场
的LVRT能力主要取决于故障发生后系统维持暂态电压稳定的能力，即取决于故障切除时间ts的大小。当ts小于 或等于故障极限切除时间tvc时，风电场则具备一定的LVRT能力；当系统具有较大的tvc值时，可有效提高风电 场低电压穿越的持续时间；在ts≤tvc的前提下，故障切除时间越短，风电场并网点电压恢复正常水平的速度越 快。当风电机组机端并联电容器组、SVC、STATCOM等无功补偿设备时，均可有效增大系统的tvc值，从而显 著提高风电场的LVRT能力；其中STATCOM对风电场LVRT能力的补偿效果最好。
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恒速异步发电机型风电场低电压穿越能力仿真研究
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恒速异步发电机型风电场低电压穿越能力仿真研究
李 升 1，王家华 2 （1. 南京工程学院电力工程学院，南京 211167； 2. 南京四方亿能电力自动化有限公司，南京 211101 )
[摘 要] 本文以一个机端母线设置为PQ节点的恒速异步发电机型风电场接入无穷大系统为例，对风电场接
当电网侧线路 L2 发生短路故障时，异步风力发电 机的电磁转矩和机械转矩不平衡导致机组转速不断增 大，如图 3（b）所示，若故障切除时间 ts 大于 tvc，则 转子加速将失去控制，最终造成机端电压崩溃（跌落 至 0p.u.）；若考虑继电保护动作，则风电机组的超速保 护和低电压保护将机组从电网切除。如图 3（c）所示， 由于短路故障发生在非常接近风电场并网点的线路 L2 的首端，因此故障期间 Bus4 电压跌落在 0p.u.左右。 当 ts=0.619s 时，Bus4 电压在故障发生 2s 后能够及时 恢复至 0.9p.u.以上，说明风电场具有一定的 LVRT 能 力。而当 ts=0.620s 时，Bus4 电压无法恢复正常，最终 跌落在 0.70762p.u.，风电场无法实现 LVRT 功能；注 意此时 Bus4 电压由于受到无穷大系统的支撑，其跌落 水平并不会过低。
在图 2 所示系统中，母线 Bus4 为风电场并网点。 由于风电场 LVRT 能力涉及到电网侧发生短路故 障后风电场内各母线电压能否及时恢复的问题，因此 与系统的暂态稳定性紧密相关。图 2 所示系统中，异 步发电机可被视为一个吸收无功功率的感性负荷，因 此该系统存在的暂态稳定性问题属于暂态电压稳定的 范畴。衡量系统暂态电压稳定性的主要指标是故障极 限切除时间 tvc，当故障切除时间 ts 小于或等于 tvc 时， 系统各母线电压均能够恢复正常；否则系统内至少有 1 条母线电压发生崩溃[7]。
2 风电机组无无功补偿时的风电场 LVRT 能 力分析
现假设风电机组机端未装设任何无功补偿设备， 潮流计算结果显示异步发电机所吸收的无功功率 (0.06p.u.)全部由无穷大系统提供，机端母线 Bus1 电压 为 0.9087p.u.。现分别考察风电场接入无穷大系统的双 回输电线路中 L2 首端（即发送端）及 L2 中点处发生 三相接地短路(接地阻抗为 0+j0.001p.u.)时的风电场 LVRT 能力。
0 前言
风电场低电压穿越能力（low voltage ride-though,
我国 2012 版《风电场接入电力系统技术规定》给
出了风电场具备 LVRT 能力的并网点电压下限轮廓 线，如图 1 所示[1]，其中低电压穿越的持续时间为
LVRT）是指风电机组在电网发生短路故障引起并网点 625ms，是在继电保护（快速保护）动作时间、断路器
种是恒速风力发电机组，即普通异步发电机组；另一
基金项目：南京工程学院科研基金项目(QKJC2009007)
种是变速风力发电机组，如双馈异步发电机、直驱永
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大电机技术
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磁同步发电机等。变速风力发电机组在换流器等装置 的作用下一般具有一定或较强的 LVRT 能力[2-4]；而恒 速异步发电机组在运行时由于要吸收无功功率以建立 磁场，其本身一般被认为不具备 LVRT 能力，但可在 其机端、箱变高压侧或风电场主变低压侧装设电容器 组、SVC 或 STATCOM 等无功补偿装置提高风电场的 LVRT 能力[5-6]。恒速异步发电机型风电场目前仍广泛 使用，因此研究这类风电场的 LVRT 能力具有现实的 意义，对于保障风电场的安全稳定运行极为重要。
2.2 线路 L2 中点发生短路故障 现假设三相接地短路故障发生在线路 L2 的中点，
其他仿真条件不变，经测试可求得系统的 tvc=0.738s， 和故障发生在线路 L2 首端的情况相比，系统的故障极 限切除时间明显增大，系统维持暂态电压稳定性的能 力增强，而风电场低电压穿越的持续时间也相应变长。 如图 4 所示风电场并网点 Bus4 的电压变化曲线，由于 故障点距离并网点有一定的电气距离，因此故障期间 的并网点电压跌落水平得到提高；当 ts=0.738s 时，Bus4 电压可恢复至 0.9p.u.以上；若将故障切除时间缩短， 例如取 0.625s，则 Bus4 电压恢复正常运行水平的速度 将明显加快，显著提高了风电场的 LVRT 能力。
(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China；
2. Nanjing Sifang Epower Electric Automation Co., Ltd., Nanjing 211101, China)
单 台 箱 式 变 压 器 参 数 ： 0.69/10.5kV ， 额 定 容 量 2.25MVA，短路阻抗 6.5%。
场 内 线 路 ： 阻 抗 为 0.198+j0.624p.u.( 基 准 容 量
100MVA)。 风电场主变：10.5/121kV，额定容量 50MVA，短
路阻抗 10.5%。 风电场接入系统输电线路：每回阻抗为
Abstract: A simulation model is established that a constant-speed asynchronous generator-based
wind farm is accessed in the infinite system and the terminal bus of asynchronous generator is set in
0.132+j0.375p.u.（基准容量 100MVA）。 在进行建模和时域仿真时标幺值基准容量取
100MVA，基准电压取各电压等级的平均额压。 风速模型采用韦伯（Weibull）模型，具体参数采
用 PSAT 提供的默认值。 无穷大系统端母线 Bus5 设置为 Slack 节点，电压
幅值取 1p.u.，电压参考相角为 0。风电机组的机端母 线既可设置为 PQ 节点，也可设置为 PV 节点；考虑在 实际运行中一般按 PQ 节点运行，因此本文将风电机 组机端母线 Bus1 设置为 PQ 节点，异步风力发电机发 出的有功功率占其额定容量的 80%(即 0.16p.u.)，吸收 的无功功率占额定容量的 30%(即 0.06p.u.)。
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恒速异步发电机型风电场低电压穿越能力仿真研究
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些微小的变化，但偏差一般只在几 ms 之内。 如图 3（a）所示，当 ts=0.619s 时，机端母线电压
能够恢复正常，系统能够维持暂态电压稳定；当 ts=0.620s 时，机端母线电压发生崩溃，系统失去暂态 电压稳定性，因此故障极限切除时间 tvc=0.619s。