多机恒速风电系统低电压穿越问题分析与解决

对于多机恒速风电系统/恒速风电场而言，在电网发生电压跌落故障后，由于发电机机端电压的下降，会引起电磁转矩的下降，从而可能使发电机失速而导致系统不稳定[9]，且异步发电机运行时需要从电网吸收大量的无功功率，无法满足故障期间并网导则所要求的无功电流输出。从多机恒速风电系统/恒速风电场层面，可以采用并联式或串联式低电压穿越辅助装置以辅助其穿越电网故障，一方面，需要降低故障期间发电机机端的电压跌落，以维持恒速风电机组的稳定性；另一方面，需要根据并网导则的具体要求输出一定的无功电流，以支撑电网。以风电场为例，下面着重探讨多机恒速风电系统的低电压穿越问题。

7.2.1.1 并联式恒速风电场低电压穿越辅助装置

采用并联式辅助装置可补偿异步发电机运行所需的无功功率，并输出一定的无功电流以满足并网导则的要求。采用并联式辅助装置（SVC或STATCOM）辅助恒速风电场实现LVRT的典型系统结构如图7-10所示^[10]。

图7-10 配置SVC或STATCOM的恒速风电场典型结构

图7-11 STATCOM和SVC的控制框图

（1）对称故障下的低电压穿越

电网出现对称故障时，故障后电网电压中只含有正序分量，控制SVC或STAT-COM输出正序无功电流，使多机系统并网点处电压跌落幅度减小，可提高多机系统的稳定裕度；若SVC或STATCOM容量足够大，则可进一步输出正序无功电流，以支撑电网电压。

以控制多机系统并网点电压为目标，STATCOM和SVC的控制策略如图7-11所示^[10]。由图7-11a可知，在图7-6的基础上，STATCOM输出无功功率指令由电压控制环的输出设定。图中，并网点电压指令u_g∗_m与其实际幅值u_gm之差经PI调节后，得到无功功率指令。图7-11b为SVC控制框图，u_g∗_m与u_gm之差经PI调节器后得到TSC晶闸管的导通角，以控制SVC的等效容抗，从而调节其输出无功功率。

对称故障下，图7-10所示系统的静态特性可基于其单相稳态等效电路（见图7-12）来分析。图中，多机系统/风电场模型用单机等效模型表示，异步发电机等效电路与图3-5一致，电网模型用其戴维南等效支路表示。其中、分别为电网电压和异步发电机定子端电压相量，、、分别为传输线、STAT-COM和SVC支路电流相量，R_g+jX_g为电网线路阻抗。

图7-12 配置SVC或STATCOM恒速风电场的等效电路

以6台3MW单机系统组成的风电场为例（单机系统参数详见附录B表B-7），基于图7-12和式（6-1），可以得到配置不同容量STATCOM和SVC条件下异步发电机的转矩-转速曲线，如图7-13所示。与图6-3的分析方法类似，可见配置STATCOM和SVC都会增大发电机的临界转速，从而增加风电系统的动态稳定裕度[临界切除时间（CCT）]；然而，由于SVC是无源设备，主要通过改变其自身的阻抗来控制无功功率的输出，所以在交流电压较低的情况下，其提供的无功功率较小，因而相同容量的STATCOM比SVC效果更好，使得系统的稳定裕度更大，增大STATCOM容量也会增加系统的稳定性。

图7-13 配置不同容量STATCOM和SVC时等效异步发电机的转矩-转速曲线

图7-10所示系统的动态特性可借助于时域仿真来研究。参考文献[11]通过仿真研究了低电压过程中STATCOM对定速风力机动态特性的影响。如图7-14、图7-15所示。仿真中，t=2.4s时，电力系统发生三相短路故障，且PCC电压跌落至0.2pu左右，故障持续时间为0.28s。风电场未配备STATCOM或STATCOM不工作时，系统响应如图7-14所示，可见故障清除后，PCC电压未能恢复到正常值，持续降低；且定速风力机转速持续上升直至飞车，风电机组失稳。图7-15所示系统响应中，风电场配备STATCOM，且在电压跌落后STATCOM用于控制PCC电压，可见，当有STATCOM支撑时，电网电压恢复后，PCC电压可快速恢复为额定值，且风力机转速经过暂态过程也恢复至故障前转速。由以上结果可见，STATCOM可有效提高具有恒速风电场接入的电力系统的暂态稳定性。

图7-14 三相短路故障后的系统响应（无STATCOM）

图7-15 三相短路故障后的系统响应（有STATCOM）

为了进一步提高恒速风电场的LVRT能力，可将STATCOM与各风力机的桨距角控制配合使用^[12]。通过桨距角控制可降低故障后发电机的转速：一方面可防止其失速，增加其稳定裕度；另一方面可减少发电机从电网所吸收的无功功率，以增强风电场并网点的电压稳定性；通过STATCOM的无功电流控制，则可使风电场的稳定裕度和LVRT能力进一步增强。

（2）电网不对称故障下的低电压穿越

不对称电网故障下，电网电压中含有负序分量，该负序分量会引起异步发电机的电磁转矩脉动，严重时会导致机组切机，影响其低电压穿越能力。采用分相控制的SVC可通过向电网注入不对称无功电流，以补偿电网电压不对称，然而该方法动态响应较慢，且输出谐波较大，在实际多机系统/风电场中应用较少。与之相比，STATCOM具有灵活的正负序电流控制能力、输出谐波小，且动态响应快，具有较大的技术优势。

不对称电网条件下，可采用对称分量法将STATCOM的动态模型式（7-4）分解为正序和负序模型，再分别经正序和负序同步旋转变换后，得到

以上模型与双馈风电机组的网侧变流器模型式（6-56）相同，同样，与式（6-58）、式（6-59）类似，STATCOM输出的有功和无功功率也可由正负序分量表示为

式中

式中，x=g，c分别表示网侧变流器电网侧和交流输出侧变量。(www.xing528.com)

基于STATCOM的正负序模型，采用类似于图7-6的解耦控制方法，可实现对STATCOM输出正负序有功和无功电流的独立解耦控制。正负序电流指令则可由STATCOM的控制目标决定。与6.3.2.2节双馈型风电系统在不对称电网故障下的控制问题类似，通过设置不同的正负序电流指令，可以实现STATCOM的不同控制目标，如控制STATCOM输出的正负序电流分量，以实现支撑电网电压、消除直流母线电压两倍频脉动等^[13]。

电网故障后，多机系统/风电场并网点处电压受STATCOM输出电流和传输线路阻抗的影响，通常传输线路呈感性，其电阻可忽略不计，当传输线路较长时，STATCOM输出的正负序无功电流会在线路上产生较大压降，从而影响并网点处电压的正负序分量。为了辅助多机恒速风电系统实现低电压穿越，需要设定STAT-COM输出的正负序电流指令，以下讨论一种可行的指令计算方法。

1）根据并网导则对风电场输出正序无功电流的要求，基于电网电压正序分量测量值，计算STATCOM输出的正序无功电流指令，以满足德国“SDLWindV”并网导则草案要求为例，其正序无功电流指令可设为

式中，所有变量均为标幺值，无量纲。

控制STATCOM输出的正序有功电流以维持其直流母线电压U_dc，正序有功电流指令由直流电压控制环的输出给定。

2）STATCOM输出的负序有功和无功电流指令可根据不同的控制目标而设计，例如可令式（7-9）中P_{c cos}=P_{c sin}=0，以消除直流母线电压脉动；也可输出负序无功电流，以减小电网电压中的负序分量，从而减小风力机转矩脉动。

若STATCOM输出负序电流用以消除直流母线电压脉动，则其控制策略与非耦合型风电机组的网侧变流器完全一致，其负序电流指令可由式（6-84）求得，系统控制框图如图6-53所示。然而，为降低恒速风电机组的转矩脉动，以辅助多机恒速风电系统/风电场实现低电压穿越，还可控制STATCOM向电网注入一定的负序无功电流，以减小故障后电网电压的负序分量，在此控制目标下，STATCOM输出负序无功电流指令可由电网电压负序分量的控制环给定，其负序有功电流指令可设为零。由式（7-8）可知，此时，STATCOM的直流母线电压将存在两倍频脉动，因此需要考虑额外的措施，如增加直流电容电容量或储能环节，以保证STATCOM的正常运行。

此外，上述控制目标也应设定一定的优先级，以满足低电压穿越导则为宗旨，应优先满足正序电流的控制目标，其次是负序电流的控制目标。该优先级可采用类似图6-40中的限幅值设定方法来保证。

基于上述思路，用于多机恒速风电系统/风电场的STATCOM的控制框图可设计为图7-16所示。图7-16a中，电网电压、电流的正负序分离可采用本书5.2节所述的基于旋转或静止坐标系的锁相环方法实现。

不同容量STATCOM辅助恒速风场实现低电压穿越的仿真结果如图7-17所示。仿真中，t=0.1s时，距离恒速风电场25km处的输电线上发生BC两相相间短路故障，t=0.4s时，故障被清除，风电场由6台3MW单机系统组成，单机系统参数详见附录B表B-7。

图7-17a分别为未配备STATCOM、配备10MW STATCOM和配备20MW STAT-COM时风电场并网点电压的波形，可见，电网故障期间，由于STATCOM注入的正负序无功电流，并网电压跌落程度和电压不平衡度均显著降低，且随着STATCOM容量的增加，上述效果越明显。

图7-16 不对称故障下的STATCOM控制框图

图7-17 不同容量STATCOM辅助定速风电场实现低电压穿越

图7-17b为风电场注入电网的正序无功电流和风力机转速波形。可见，配备STATCOM后，在故障持续阶段，STATCOM与风电场的补偿电容器组一起向电网注

入的正序无功电流保持在0.4pu以上，满足并网导则（如德国SDLWindV并网导则草案）的要求。由图7-17b可知，故障前，由于补偿电容器组的作用，异步风电机组消耗的无功功率可得到有效补偿，风电场输出功率因数约为1。故障发生后，若未配备STATOCM，风电场也会向电网注入一定的正序无功电流，这是由恒速风电机组的无功特性和补偿电容器组的作用共同决定的：由异步发电机的无功功率-

图7-17 不同容量STATCOM辅助定速风电场实现低电压穿越（续）

注：1—无STATCOM 2—配备10MW STATCOM 3—配备20MW STATCOM

转差率特性或图6-4可知，转差频率一定时，发电机定子端电压越低，则其吸收的无功功率越小；定子端电压一定时，转差频率越高，其吸收的无功功率越大。故障后，由于转动惯量的作用，发电机转速（转差频率）不能突变，定子端电压降低，使发电机吸收无功功率减小，尽管此时补偿电容器组的无功电流输出也减小，整个风电场对外输出一定的正序无功电流；故障持续阶段，发电机转速先经过短暂时间的降低后不断上升，转差频率增加使其吸收无功功率也增加，因而风电场对外输出的正序无功电流不断减小。尽管可输出一定的正序无功电流，然而其输出量无法满足并网导则的要求（不能保证始终大于0.4pu）。若风电场配备STATOCM，则由STATOCM输出一部分正序无功电流，可保证故障持续阶段风电场的输出满足并网导则的要求。t=0.4s后，电网故障恢复，将STATCOM退出运行，一方面电网电压增加，使得风电场吸收无功功率增加，另一方面转差频率比故障前有所增加，这也导致风电场吸收无功功率的进一步增加，上述因素使得故障恢复后风电场从电网吸收一定的正序无功电流，随着风力机转速的缓慢恢复，风电场吸收的正序无功电流缓慢恢复至故障前状态。值得注意的是，对于配备STATCOM的风电场，由于故障持续阶段风力机的转速（转差频率）变化小于未配备STATCOM的风电场，因而在故障恢复后，配备STATCOM风电场所吸收的正序无功电流值低于未配备STATCOM的情况。

图7-17c为风电场并网点电压正负序分量、STATCOM注入电网正负序无功电流和风电机组电磁转矩波形。可见，配备STATOCM时，STATCOM可输出约0.25pu（以风电场额定输出功率为基准值）的正序无功电流，以保证故障持续阶段风电场的输出满足并网导则的要求（风电场还可输出部分正序无功电流，其与STATCOM输出总正序无功电流可达0.4pu）；与未配备STATOCM的情况相比，由于此正序无功电流的支撑作用，风电场并网点处的正序电压跌落深度减轻。参考前面所述STATCOM的控制目标，除了输出正序无功电流外，STATCOM剩余容量用于输出负序无功电流，以减小风电场并网点电压的不平衡程度，从而减小风电机组的转矩和输出功率振荡。STATCOM容量越大，其可输出的负序无功电流越大，电网电压的不平衡度越小，由图7-17c可知，20MW的STATCOM可使风电场并网点电压的负序分量减小到0.1pu以下，所对应发电机的电磁转矩脉动也因此明显减弱。

7.2.1.2 串联式恒速风电场低电压辅助穿越装置

串联式辅助装置DVR通过在电路中串入电压源以减小电网故障对多机系统并网点处电压的影响，从而辅助恒速风电场实现低电压穿越。由于输出电压灵活可控，DVR在对称和不对称电网故障的场合都可适用。然而，DVR不具备无功电流输出能力，为满足并网导则的无功电流输出要求，DVR通常需要与STATCOM配合使用，配备DVR和STATCOM设备的恒速风电场的系统结构如图7-18所示^[14]。由于DVR可使多机系统并网点处电压跌落减小，故障后恒速风电机组从电网中吸收的无功功率也相应减小，因而风电场所需配备的STATCOM容量也将减小。DVR的控制可采用图7-8所示方法。此方法下，DVR可将故障后多机系统并网点电压补偿为故障前的值，因而无需区分故障类型。配备DVR系统后，多机系统机端和STATCOM接入点电压可恢复为故障前的值，因而风电机组的运行不受故障的影响，且STATCOM的控制可采用图7-6所示的针对三相对称系统的方法，STATCOM无功电流指令值则可根据并网导则的要求而设定。

图7-18 配置DVR和STATCOM的恒速风电场结构

图7-19 不对称故障下配备STATCOM和DVR的定速风电系统低电压穿越仿真结果

以不对称故障为例，t=0.1s时刻，距离风电场25km处的输电线上发生单相对地短路故障，故障持续300ms，风电场由6台3MW单机系统组成，单机系统参数详见附录B表B-7。故障期间，控制DVR完全补偿电网电压跌落，使风电场并网点处电压保持为故障前数值；控制STATCOM向电网注入并网导则规定的正序无功电流。上述控制目标下，系统仿真结果如图7-19所示。可见，不对称电网故障期间，由于DVR的补偿作用，风电场并网点电压可基本不受影响、保持三相平衡。此时，一方面风电机组电磁转矩不存在脉动、风力机转速稳定，可保持故障期间的不脱网运行；另一方面，STATCOM输出指定的正序无功电流，以满足并网导则的相关要求。