电网短路时并网双馈风电机组的特性分析

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1、电网短路时并网双馈风电机组的特性分析【摘要】本文分析了双馈风电机组的概念、稳定性、短路特性等问题，希望能够对风电机组的稳定运行提供一些借鉴和参考。【关键词】风电机组；短路；稳定性中图分类号：F407文献标识码：A一、前言经济的发展对电力需求越来越大。在以双馈风电机组为主的风电规模运行的同时，用电需求增加也给机组的稳定运行提出了严峻的考验。二、双馈风电机组概述双馈风力发电机组(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)是风力发电的发展方向之一，DFIG以其具备变速恒频,有功和无功解耦控制，增强可控性与稳定性和对电网的适应性等优点已成为

2、现代风电技术深入研究的方向。但是，DFIG的定子与电网直接相连，这种结构不能有效隔离与电网之间的联系，使得该风电机组对电网故障非常敏感，导致DFIG电网故障的穿越能力较弱。增加撬棒保护电路来实现DFIG故障穿越运行配合有效的变流器控制策略是目前比较合理的方法。撬棒电路阻值和切除时间对电网穿越能力有着较大影响，设计不当会导致故障期间直流母线过电压，转子变流器因承受过电流而升温，不利于并网风电场安全运行。目前国内外学者对设计优化风电机组故障穿越方法进行了大量的研究，其中三相对称故障下DFIG低电压穿越技术逐渐成熟，但实际电力系统中不对称故障比对称故障更加频繁，危

3、害更加严重。文献［1-2］分析不同阻值下撬棒电路对风电机组低电压穿越的影响；文献［3］研究了撬棒电路投入持续时间对低电压穿越性能的影响；文献［4］分析不同故障对系统的影响，指出不同故障下DFIG运行特性以及保护措施，但没有从不对称故障特性分析；文献［5］给出DFIG转子侧和网侧变流器不同的控制策略以优化提升故障穿越能力，但仅从传统对称故障的分析方法来研究。文献［6］针对不平衡电压下，给出风电机组故障穿越方法和相应控制策略；文献［7］讨论储能装置在风力发电领域的应用。不对称故障期间，电网负序分量将导致三相电压不再平衡，由于当前DFIG机组采用三相三线制，故不存

4、在零序通道，电网器件将承受不平衡电压的冲击。本文分析DFIG撬棒装置投入时间对系统故障穿越的影响；提出不对称故障负序电流的撬棒切除时刻判定依据和超级电容器的直流母线稳压方法，提高风电机组故障穿越能力。在仿真软件DIgSILENT上建立了DFIG实验模型，仿真分析各种不对称故障穿越过程，实验验证所提研究方法能够有效优化DFIG在不对称故障下不脱网运行的能力，为大规模风电场接入电网提供参考。三、风电机组的稳定性分析1、静态稳定性分析根据风电机组的工作原理，将风电机组等效地用随风速变化的有功和无功电源表示，如图1所示，图1风电机组等效电路2、动态稳定性分析风电机组

5、控制方式有恒功率因数控制和恒电压控制两种。当按恒功率控制时，即风电机组的电导和电纳随端电压变化而变化；当按恒电压控制时，风电机组的电导和电纳随功率因数的变化而变化。对于风电机组的动态仿真，需要研究风电机组的特性。例如，变速恒频风电机组通过变频器与电网相连，电力电子元件对过电流非常敏感，当电网故障时,变频器的控制器会立即发现，为了保护变频器，变速风机会与电网分裂，从而引起大范围的电压降落，甚至会影响到整个系统。为了准确描述风电机组的动态性能，本文采用BPA计算程序，给出了风电机组的动态模型，如图2所示，主要包括发电机、变频器模块，电气控制模块和涡轮机及其控制模

6、块。图2风电机组动态模型四、转子侧变流器对短路过程的影响DFIG的控制系统主要包括风力机运行控制、转子侧变流器控制以及电网侧变流器控制。在电网故障期间，由于短路持续时间较短，通常可忽略风速的变化，即认为风力机的控制并不会对DFIG的短路过程产生影响。转子侧变流器控制通常采用定子磁场定向的矢量控制方法，其通用串级控制系统如图3所示。图3转子侧变流器控制通过设定DFIG有功和无功功率基准值，可得到转子电流dq轴分量的基准值，而通过图3中所示的附加控制，无功功率基准值还可由机端电压偏差确定，有功功率的基准值则可由转速偏差得到，从而可设置DFIG来控制接入点附近的电

7、压以及实现最大风能的追踪。转子侧变流器控制对DFIG短路过程的影响涉及多个方面：一方面，转速/电压或有功/无功功率基准值的大小决定了转子电流的大小，在相同短路情况下，转子侧变流器控制的基准值越大，转子电流也越大；另一方面，控制环节的选取决定了DFIG在电网短路期间的变化规律。当采用附加电压控制环节时，由于电网短路使得机端电压降低，流入比例积分(proportionintegral,PI)控制器的电压偏差增大，无功功率基准值将增大，使得转子d轴电流增大。当釆用通用控制方法时，DFIG应按照预先设定的无功基准值输出或吸收无功功率，转子d轴电流应稳定至基准值附近。

8、图4转子dq轴电流图5机端电压和短路电流图4、5所示