多机双馈风电系统低电压穿越问题优化方案

由第6章的介绍可知，与多机恒速风电系统不同，双馈风电系统输出有功和无功功率可控，通过增加单机转子变流器容量等措施，电网故障期间，双馈风电机组还可向电网发出一定的无功功率以满足并网导则（如德国SDLWindV并网导则草案）的要求。从多机系统/风电场层面，采用并联式或串联式辅助装置可进一步提高双馈风电机组的低电压穿越能力，由于双馈风电机组的输出功率可控，通过协调控制双馈风电机组与辅助装置，可进一步优化系统输出、提高多机系统/风电场低电压穿越能力、减小辅助设备容量。由第6章的分析可知，对称故障下，双馈风电机组输出可控且易满足并网导则对无功电流输出的要求；而不对称故障下，机端负序电压对双馈风电机组的低电压穿越能力影响较大，标准设计下，风电机组甚至存在不可穿越区，因而，采用额外设备对电网负序电压进行补偿可更为有效地辅助多机双馈风电系统/风电场穿越电网故障。

对称故障下，采用并联式或串联式辅助装置辅助多机双馈风电系统完成低电压穿越，其核心思想是通过降低机组机端电压的跌落深度，以减小双馈风电机组的低电压穿越难度^[15-17]；此方法下，多机双馈风电系统/风电场的响应与不采用辅助装置且电压跌落较轻时的情况相似，并无特别之处。因而，以风电场为例，下面着重探讨不对称故障下多机双馈系统的低电压穿越问题。

7.2.2.1 并联式双馈风电场低电压穿越辅助装置

由6.3.2.2节分析可知，不对称故障条件下，双馈风电机组在故障持续阶段的可控区有限。严重故障时，为确保双馈风电场仍能满足并网导则的相关要求，最为有效的方法是采取额外的辅助设备，以降低风电场内各机组端电压的不平衡程度，以保证风电机组并网运行且输出一定的正序无功电流以支撑电网^[19]。采用并联式辅助装置辅助双馈风电场穿越不对称故障时，由于输电线路和并网变压器阻抗的作用，并联式辅助装置输出的负序无功电流会在上述阻抗上产生相应的负序压降，从而影响风电场并网点处电压的负序分量。不同类型的并联式辅助装置中，与SVC相比，STATCOM的负序电流控制更为快速灵活，因而更具有应用前景。配备STATCOM的双馈风电场并网系统结构如图7-20所示。

为实现负序无功电流的控制，STATCOM可采用7.2.1.1节中所介绍的控制方法，在图7-16所示的控制框图的基础上，只需将ig+q+∗置零即可（因在可控区域内，双馈风电场自身可输出一定正序无功电流，以满足并网导则的需求）。

不对称故障下，采用STATCOM辅助双馈风电场完成故障穿越的仿真结果如图7-21所示。仿真中，双馈风电场采用单机集中模型模拟，在故障初始和持续阶段，双馈风电机组分别采用本书6.3.2.1节和6.3.2.2节中的直流撬棒和正负序分量解耦控制方法，风电场由6台1.5MW单机系统组成，单机系统参数详见附录B表B-

图7-20 配置STATCOM的双馈风电场接入电力系统结构示意图

图7-21 不对称故障下STATCOM辅助双馈风电场低电压穿越仿真结果

图7-21 不对称故障下STATCOM辅助双馈风电场低电压穿越仿真结果（续）

8，STATCOM容量为15MW；t=0.1s故障开始，维持300ms，t=0.4s时结束；t=0.25s时，STATCOM接入电网。

图7-21a所示为等效双馈风电场中的双馈风电机组定子端变量的动态响应。可见，故障后定子端电压正序分量跌落约0.4pu，STATCOM加入前后对该正序分量没有影响；故障后电网负序电压分量约为0.25pu，随着STATCOM的加入，负序分量降低到0.1pu以下，可见控制STATCOM输出负序无功电流分量有助于降低电网电压的不平衡程度。此仿真中，STATCOM容量较大，为15MW，在长距离弱连接结构中，由于线路阻抗较大，达到相同效果所需配置的STATCOM容量将进一步减小。故障后瞬间，风电机组定子电流幅值较大，约为2pu，此时因发电机转子反电动势较大，转子变流器无法控制机组，直流撬棒电路动作；STATCOM接入后，定子电流减小，发电机进入受控状态；由定子端输出的有功和无功电流波形（正序旋转坐标系下）可知，故障后发电机受控区间，系统输出有功电流降低，正序无功电流增加，STATCOM接入前后，由电网负序电压分量引起的定子电流中两倍频波动大大减小。

图7-21b所示为等效双馈风电场发电机转子端变量的动态响应。与6.3.2.2节中的结果类似，故障后转子变流器试图调节转子电流的负序分量来降低其转矩脉动，然而由于转子变流器容量的限制，转子电流负序分量无法完全受控，发电机电磁转矩中的两倍频脉动依然存在；STATCOM接入后，由于电网电压负序分量降低到0.1pu以下，转子变流器可有效降低发电机转矩脉动；由于网侧变流器优先控制输出正序无功电流以满足并网导则的相关要求，变流器直流母线电压也存在两倍频波动，随着STATCOM的接入，此波动也相应地减小；由网侧变流器输出有功和无功电流（正序旋转坐标系下）可知，故障后，有功电流输出降低，而正序无功电流输出增加。

图7-21c所示为STATCOM的动态响应。可见，STATCOM运行后，迅速输出额定的负序电流，以减小电网电压的不平衡程度，由于控制负序电流输出，其直流母线电压存在较大的两倍频波动，由前面分析可知，工作于此场合，应适当增加STATCOM的直流母线电容值或采取额外的储能设备稳定其直流母线电压。(www.xing528.com)

综上可知，STATCOM的接入有助于减小电网电压的不平衡度，从而降低双馈风电场的低电压穿越难度，使其更容易输出并网导则所要求的无功电流，以支撑电网的稳定运行；同时由于电网电压不平衡度的降低，双馈风电机组转矩和变流器直流母线电压的脉动大为降低，这将有助于提高双馈风电场的运行寿命。

7.2.2.2 串联式双馈风电场低电压穿越辅助装置

在本书6.3.2.1节中已介绍过使用DVR辅助双馈风电机组完成对称和不对称故障穿越，在双馈风电场中，该方法也同样适用^[20]。DVR用于辅助双馈风电场进行LVRT的系统结构如图7-22所示，DVR串联在风电场和风力机并网点之间，当电网电压出现跌落时，DVR补偿该电压跌落，减轻风电场各发电机机端的电压跌落程度，从而辅助其穿越低电压过程。不对称故障下，在图7-9的基础上，考虑同时补偿正负序电压分量，可得图7-23所示的DVR控制框图。图中，分别检测电网电压的正负序分量，并控制DVR输出所需补偿电压，与图7-9所示方法相比，图7-23的方法可对电网电压的正负序分量分别进行补偿，因而既可以实现图7-9所示的完全补偿，也可以通过设定电网电压的正负序期望值u_g+_dq∗+，u_g-_dq∗-，实现正负序电压分量的部分补偿，从而减小DVR系统容量，且更为灵活。该方案中，DVR容量取决于电网电压跌落深度及故障过程双馈风电场的输出电流，为减小DVR容量，以降低成本，电网电压跌落过程中，可减小风电场各风电机组的发电量。此时，为避免由于各风电机组电磁转矩减小而引起的电机升速，可辅以变桨距角控制，以限制输入风能的大小，从而限制风力机升速^[20]。当然，一般桨距角调节系统的响应速度远慢于电气系统，因此该方法的可行性有待进一步探讨。

图7-22 采用DVR来辅助DFIG风电系统进行LVRT

图7-23 DVR的逆变器正负序电压控制策略

参考文献[20]对上述方法的有效性进行了仿真验证，结果如图7-24所示。仿真中，t=2s时电网出现不对称故障，持续150ms，风速为11m/s，风电场由6台1.5MW单机系统组成，单机系统参数详见附录B表B-8。为考察DVR对双馈风电场不对称故障穿越的辅助作用，仿真中比较了有无DVR装置时风电场的功率响应，为便于直观比较，双馈风电机组的变流器输出未设置过电流和直流母线过电压保护。

不对称故障后，电网、DVR输出和发电机定子端电压响应如图7-24a所示，DVR输出相应的补偿电压，使得双馈风电机组机端电压几乎不受故障影响。

图7-24 不对称故障下的双馈风电场和DVR的动态响应

由于DVR输出电压中包含正负序分量，在正负序旋转坐标系下，其输出电压dq轴分量中存在两倍频波动，如图7-24b所示。若双馈风电场安装有DVR，故障后风电场的运行状态，如输出有功功率、发电机转子电流、电磁转矩、发电机转速和变流器直流母线电压几乎不受影响（见图7-24c），风电场输出电流在DVR上产生有功功率，如图7-24c中的P_DVR所示；若没有DVR，电网故障后风电场输出有功功率降低，且存在波动，导致发电机转速上升，发电机转子电流、电磁转矩均存在大幅波动，直流母线电压无法受控，其峰值已超过4pu，若变流器过电压保护未动作，系统已经损坏。进一步，若考虑并网导则的需求，可根据故障后电网电压跌落情况，控制风电场降低有功功率输出，增加无功功率输出；此时，双馈风电机组的控制方法与正常电网电压条件下的方法相同，此处不再赘述。由以上仿真结果可见，采用DVR可有效辅助双馈风电场完成低电压穿越。

图7-24 不对称故障下的双馈风电场和DVR的动态响应（续）