静止无功发生器在风电场电网故障时作用的研究

王兴贵，宋磊，郑伟，拜润卿

（1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃电力科学研究院，甘肃兰州 730050）

静止无功发生器在风电场电网故障时作用的研究

王兴贵1，宋磊1，郑伟2，拜润卿2

（1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃电力科学研究院，甘肃兰州 730050）

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风能作为目前最具大规模开发利用前景的新能源，日益受到世界各国的重视。随着风电装机容量在整个电网中所占比重的不断增大，大规模风电并网对电力系统的影响也越来越突出[1-4]。酒泉风电基地作为我国第一个开工建设的千万千瓦级风电基地，截至2011年年底，并网风电达5881M W，此外还有二期3000M W风电项目待开工建设，大规模风电并网对电网的影响日益凸显[5]。

为了研究在电网故障状态下采用DFIG风电场的暂态电压稳定性，本文首先对DFIG在电网电压跌落时的暂态过程进行了分析，并通过人工接地短路试验测试了在电网电压跌落时风电场升压站内110kV母线电压和风机出口电压、电流的故障波形。针对DFIG在实现低电压穿越过程中存在的问题，研究了SVG在风电场故障时的作用[6]，对SVG在风电场并网点电压跌落时为风电场提供无功支撑能力进行了仿真，并通过现场试验对仿真的结论进行了验证。

1 DFIG在电网电压跌落时的暂态过程分析

对于具备低电压穿越能力的DFIG，在电网电压跌落的情况下，采用定子磁链定向控制，将定子磁链定向在轴上，且忽略定子绕组压降和定子电阻。双馈异步电机的定子磁链在电压跌落发生前稳态情况下的矢量表达式如公式（1）所示，在电压跌落的动态过程中的表达式如公式（2）所示[7]：式中，准s1为电压跌落发生前的稳态定子磁链；准s2为包含动态过程的定子磁链；Us1、Us2分别为电压跌落发生前和发生后的稳态定子电压模值；t0为电压跌落发生时刻。

在定子参考坐标系下，考虑定子三相短路的极端情况，转子电流的变化主要由定子短路造成，转子电流可由公式（3）表示如下

2 电网短路故障状态下DFIG暂态过程的试验验证

2010年新疆电网与西北电网通过双回750kV线路联网成功，在联网过程中进行一系列的调试与测试试验。由于试验地点临近风电基地，而风电机组对电网电压扰动又非常敏感，容易因主网电压瞬时跌落造成大规模风电机组切机，带来系统频率稳定、电压恢复等一系列的问题。因此，特选择试验地点附近的3个风电场，对其在主网发生扰动情况下的运行特性及低电压穿越能力进行测试。通过监测风电场与主网连接点及单台风机出口处的电压、电流等特征量的变化，量化分析主网扰动对风电场运行状况的影响。本文主要分析了在进行750kV线路双回运行单相接地短路试验时某风电场升压站内110kV母线电压故障的波形，并测试了一台DFIG在故障状况下风机出口电压和电流的波形。

从现场所测的故障波形可以看出：当750kV线路双回运行发生单相接地短路故障时，与风电场相连的升压站内110kV母线相电压有效值由故障前的95kV跌至故障时的55kV，DFIG出口线电压由正常时的690V跌至故障时的325.6V，故障时A相电流有较大幅度上升。

图1 110kV母线相电压波形Fig.1 The waveform of 110kV bus phase voltage

图2 风机出口线电压、相电流波形Fig.2 Line voltage,phase current waveforms of a wind turbine feeder

3 应用SVG提高DFIG在电网电压跌落时低电压穿越的能力

3.1 SVG在电网故障状态下对风电场作用的仿真研究

为了验证SVG在电网故障时对风电场的作用，在MATLAB/Simulink中搭建了系统的仿真模型，并仿真了SVG投入前后风电场并网点35kV母线A相电压和风机出口相电压的变化情况。

仿真系统的数据如下：风机采用双馈异步风力发电机，出口电压为690V，每台风力发电机组出力首先经过箱式变压器升压至35kV后送往风电场升压站，经升压站主变将电压升高到330kV后送往系统。SVG经降压变压器并联于升压站内低压侧，故障点设在330kV母线侧，为三相接地短路。

图4、图6是风电场升压站内高压侧330kV母线发生三相接地短路故障之后，SVG未投入时升压站内风电场并网点35kV母线侧A相电压和风机出口A相电压波形。从仿真波形可以看出：当电网发生三相接地短路故障后，会引起风电场并网点35kV母线电压有较大幅度下跌，35kV母线A相电压的峰值跌落至5000V左右，且在故障恢复过程中会出现较大的过电压。风机出口的A相电压的峰值跌落至100V左右，低于风机低电压穿越曲线规定的20%。根据《大型风电场并网设计技术规范》[8]，此时风机可以切除。图5、7为SVG投入后升压站内35kV母线侧A相电压和风机出口A相电压波形，从仿真的结果可以看出：SVG投入之后，可以使35kV母线A相电压提高到14000V左右，且对在故障恢复过程中出现的过电压也起到了一定的抑制作用。风机出口A相电压提高到了240V左右，高于正常值的20%，使风机具备了低电压穿越的能力，从而避免了风机的大规模脱网[9-11]。

图4 SVG未投入时升压站内35kV母线A相电压波形Fig.4 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station before SVG is connected

图5 SVG投入后升压站内35kV母线A相电压波形Fig.5 The 35kV bus phase A voltage waveform of a step-up station after SVG is connected

图6 SVG未投入时风机出口A相电压波形Fig.6 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

图7 SVG投入后风机出口A相电压波形Fig.7 Phase A voltage waveform of the wind turbine before SVG is connected

3.2 SVG在电网故障状态下对风电场作用的试验研究

为了测试SVG在电网电压跌落时对风电场的作用，在酒泉千万千瓦风电基地某大型风电场进行了现场试验[12]。

试验条件为：断开SVG端子排上330kV母线P T空气开关，模拟了电网电压跌落，测录了故障后330kV母线电压的波形、SVG连接变低压侧电压的波形和幅值、SVG的无功电流和无功输出的波形。

由图8可知，在10.32s时断开SVG端子排上330kV母线P T空气开关，330kV母线电压跌至2.24kV。SVG检测到系统电压跌落后，经过大约20m s延时，达到最大无功输出。SVG连接变压器10kV母线侧电压幅值由投入前的9.24kV提高到投入后的10.12kV,SVG通过调整输出电流的幅值和相位来控制330kV母线侧电压，从而为风电场提供电压支撑。

图8 断开330kV母线PT空气开关,系统电压和SVG无功输出的波形Fig.8 System voltage and SVG reactive power output waveforms with the 330kV bus PT disconnected

4 结论

研究了电压跌落时DFIG的暂态过程，并在进行人工接地短路试验时测录了某风电场升压站内110kV母线电压和风机出口电压、电流的故障波形。分析了SVG在风电场电网故障时的作用，并通过仿真和试验验证了SVG在电网故障时可以为风电场提供一定的电压支撑，从而减小电网故障对风机的影响，防止大量风机脱网，进而提高了风电场电网运行的稳定性。

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Effects of STATCOM on Wind Farm Grid in Fault Conditions

WANG Xing-gui1，SONG Lei1，ZHENG Wei2，BAI Run-qing2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，Gansu，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The paper,analyzes the transient course of the doubly-fed induction generator（DFIG）under fault conditions is analyzed,and tests the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feed-out of the wind turbine through the artificial shortcircuit test,the voltage on the 110kV Bus of the boost station and the fault waveforms of the voltage and current at the feedout of the wind turbine within the are tested.Targeting at the problem of the wind farm under fault conditions,the effects of static var generator（SVG）in improving the low voltage ride through ability are simulated,and the simulation results are verified with the site experiment.

doubly-fed induction generator（DFIG）；transient process；lowvoltageridethrough（LVRT）；staticvargenerator（SVG）摘要：分析了双馈异步发电机（DFIG）在电网电压跌落时的暂态过程，通过人工接地短路试验测试了风电场升压站内110kV母线电压和风机出口处电压、电流的故障波形。针对风电场在故障时存在的问题，对静止无功发生器（SVG）在提高DFIG低电压穿越能力中的作用进行了仿真，并通过现场试验对仿真的结论进行了验证。

双馈异步发电机；暂态过程；低电压穿越；静止无功发生器

甘肃省自然科学基金项目资助（1014RJZA031）。

1674-3814（2012）08-0064-04

TM 614

A

2008-03-29。

王兴贵（1963—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子和新能源发电技术的研究；

宋 磊（1985—），男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电。

（编辑 徐花荣）