风电场低电压穿越与无功补偿协调控制对电网稳定性的影响

徐涛，张梦彬

（内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特金川开发区 010080）

风电场低电压穿越与无功补偿协调控制对电网稳定性的影响

徐涛，张梦彬

（内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特金川开发区 010080）

为提高风电机组低电压穿越能力及电压跌落期间含风电地方电力系统的暂态稳定性。提出了电压跌落期间，风力发电机组撬棒保护电路与磁控型动态无功补协调控制的控制策略。电网电压跌落程度较浅时不投入保护电路，仅靠无功补偿实现风电机组低电压穿越。电网电压跌落程度较深时撬棒保护电路与无功补偿装置共同投入以提高风电机组低电压穿越能力。通过算例仿真，验证所提控制策略显著提高了电压跌落期间系统的暂态稳定性。

风电场；低电压穿越；撬棒保护电路；暂态稳定

随着风电大规模并入电网，并网点电压跌落期间的控制策略对电网安全稳定运行极为重要。各国电网对风电场并网均提出了具备低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）能力的要求。LVRT是指风电场并网点电压跌落时，风电机组不脱离电网继续为电网恢复正常运行状态提供无功支持，进而“穿越”这个低电压的时间区域[1-4]。现阶段我国大部分风电机组都具备了LVRT功能，故障时风电机组不脱网，提高了系统稳定性。但随着风电容量的大幅增长，如何进一步改善主流机型LVRT能力，提高含风电地方电网的暂态稳定性成为研究热点。国内外学者进行了大量研究，文献[5]综述了现阶段国内外主流机型LVRT实现措施及其控制策略，分析了可能影响LVRT能力的技术因素。文献[6]总结了风电机组实现LVRT能力的各种控制及优化控制策略。文献[7]指出“大规模风电场接入电网的电压等级越高，对电力系统的影响也越突出”。文献[8-9]探讨了大型风电场接入电力系统的暂态稳定性。

事实上，具备LVRT能力的风电机组与风电场无功补偿装置之间的协调控制，是进一步提高风电机组LVRT能力和含风电地方电网暂态稳定性的有效途径。本文初步探索将双馈风机机组撬棒（Crowbar）保护电路与动态无功补偿装置（MSVC）进行协调控制，用以提高含风电地方电网暂态稳定性，并进行了时域仿真。

1 风电机组LVRT与MSVC的协调控制策略

1.1 IGBT型Crowbar工作原理

双馈发电机（doubly fed induction generator，DFIG）定子直接与电网相连接，电网发生短路故障时，短路电流经发电机内部定、转子的磁场耦合，在组转子侧产生过电流，使直流侧母线电压升高、转子侧变流器电流以及有功、无功发生振荡，损害变流器、发电机的转子绕组。必须采取必要措施限制变流器过电流、发电机转子和直流母线过电压。

IGBT型Crowbar电路如图1所示，由不可控整流桥配合一个IGBT全控器件组成。每个桥臂由2个二极管串联。直流侧串入一个IGBT器件和一个旁路电阻。通过控制IGBT的触发信号，调整发电机转子电流，抑制发电机转子过电流。Crowbar电路在电网电压跌落的瞬间投入运行，对转子中产生的过电流提供一条旁路通道，防止过电流损坏变频器。之后Crowbar电路配合双PWM变频器在故障持续期间运行，实现在故障期间让双馈发电系统向电网输出无功功率，对电网电压提供支撑。带有Crowbar电路的双馈感应风力发电系统在电网故障的情况下可以有效地对变频器提供保护，并且可以迅速向电网馈送无功功率，使电网电压恢复正常。

图1具备LVRT能力的DFIG系统结构框图Fig.1 DFIG system configuration w ith LVRT capability

1.2 磁控型动态无功补偿装置工作原理

磁控型动态无功补偿装置（MSVC）如图1所示，由磁控电抗器（MCR）、固定电容器（FC）及无功补偿控制单元3部分组成。FC提供固定的容性无功功率，MCR提供可调的感性无功功率。MCR通过改变可控硅控制角，平滑调节电抗器容量，改变MCR感性无功功率输出。故障期间，FC提供一定的无功功率提高机端电压。故障消除后，机端电压在一段时间会继续升高，超过正常电压，调节MCR，提供感性无功功率降低机端电压。正是由于MCR的可调性，将MCR+FC型SVC变成了可调的补偿装置，实时进行无功功率的发出和吸收，保证机端电压的快速恢复。与传统的TCR型SVC相比，MSVC具有电气结构简单、占地面积小、基础性投资少、自身有功损耗低、可控硅不容易被击穿、运行稳定可靠性高、储能元件容量大、适应风沙环境等的优点。

1.3 风电机组LVRT的协调控制策略

为提高机双馈风电机组LVRT能力和LVRT期间系统的暂态稳定性，MSVC和Crowbar保护电路的协调控制策略定义为2个切换模式，如图2所示。

图2 DFIG的LVRT协调控制策略Fig.2 LVRT coordination and control strategy of DFIG

模式1：当机端电压跌落较浅即高于0.6 pu时，Crowbar不投入运行，仅依靠投入MSVC进行无功补偿，实现风力发电机组LVRT。

模式2：当机端电压低于跌落较深即低于0.6 pu时，Crowbar与MSVC共同投入运行，实现风力发电机组的LVRT。

2 仿真算例及结果分析

为验证所提LVRT协调控制策略，以蒙西某地区风电系统为例，建立30×1.5 MW风电场接入地方电网的仿真模型如图3所示。风电场35 kV集电线路经场内升压站T1将风电机出口电压升至110 kV，附近200 MW火电机组10.5 kV出口电压经主变T2升至110 kV，经公共接入点（PCC）接入电网，风电场、火电机组均在额定工况运行，仿真中风电出力约占20%。

分别采用无LVRT能力双馈风电机组、具有LVRT能力的安装有源Crowbar双馈风机组、Crowbar和MSVC协调控制双馈风机组进行仿真，t=2 s时T1高压侧母线处设置三相短路故障，短路持续625ms。风电机组出口电压不同控制策略下发生短路暂态过程

的电压波形如图4所示。

图3 风电系统并网模型结构框图Fig.3 W ind power synchronization configuration

图4 不同控制策略下电压波形Fig.4 Voltage waveform under differentcontrol strategies

另t=2 s时在T1高压侧母线处设置三相短路故障，短路持续200ms，系统频率波形及附近火电机组功角特性波形分别如图5、图6所示。

图5 不同控制策略下频率波形Fig.5 Frequency waveform under different control strategies

图6 不同控制策略下发电机功角波形Fig.6 Power angle waveform under different control strategies

图4中短路故障点远离风力发电机组出口，在风电机组不具备LVRT能力时出口电压跌落至0.6 pu，0.12 s后保护动作将风电机组全部切除。故障后火力发电厂强行励磁启动，无功功率输出迅速增加，同时PCC点MSVC提供无功支持，0.12 s后电压开始恢复，经505ms电压恢复至正常水平。加装Crowbar保护后，风电机组具备了LVRT能力。故障后电压跌落期间风电机组不脱网，但风电场有功功率传输能力下降。风电机组由于惯性的原因，发出的能量不会立即减小，导致风机的转速迅速增加，变桨距角的控制启动，风机的转速在允许的范围内波动，双馈风电机组开始从电网吸收无功，PCC点电压最低跌落至0.72 pu。故障同时附近火力发电厂的有功功率输出也严重下降，火力发电厂强行励磁启动，无功功率输出开始迅速增加。与此同时，双馈风电机组Crowbar在电压跌落的瞬间投入运行，对转子中产生的过电流提供一条旁路通道，防止过电流损坏变频器，Crowbar电路配合双PWM变频器在故障持续期间运行，实现故障期间向电网输出无功功率。火电、风电共同增加向电网馈送无功功率，PCC点电压629ms后逐步恢复至正常水平。采用协调LVRT控制策略后，PCC点电压最低跌落至0.87 pu，故障后除火电厂强行励磁和加装Crowbar保护后共同提供无功支撑外，工作在协调控制模式2方式的MSVC也向电网提供无功支持，在三者无功支持下PCC点629ms后电压逐步恢复至正常水平。

短路期间3种运行方式中，协调LVRT控制在故障后向系统提供无功支持最大，其次为风电机组加装Crowbar保护后，而风电机组无LVRT能力提供无功支持最小。因此，在电压跌落扰动期间协调LVRT控制运行方式电压跌落幅度最小，暂态电压稳定性最优。

由图5中PCC点故障后，系统频率开始下降，经过机组调整后，系统频率均可稳定在49.8 Hz以上。其中，无LVRT能力风电机组故障后0.12 s切除，同时火电机组输出有功功率急剧下降，有功功率输出瞬时出现严重缺额，导致系统频率跌落至49.31 Hz，下降程度最为严重。0.12 s后火电机组输出有功功率迅速回升，频率随之上升，200ms后经微弱振荡逐步恢复正常。加装Crowbar具备LVRT能力和协调LVRT控制风电机组，在故障后风电机组保持并网运行，瞬时输出有功功率缺额较无LVRT能力风电机机组小，系统频率下降至49.46 Hz和49.6 Hz后，经微弱振荡逐步恢复正常。在电压跌落期间协调LVRT控制运行方式频率跌落幅度最小，暂态频率稳定性最好。

图6同步发电机组功角仿真曲线表明，在风电机组不具备LVRT功能时，故障发生后风电机组切除。火电机组输出有功功率急剧下降，火电机组的原动机机械输出有功功率与同步发电机输出电磁有功功率产生瞬间极大不平衡，功角在40°～80°之间发生振荡，随故障结束逐渐恢复稳定运行。而加装Crowbar具备LVRT能力和协调LVRT控制的风电机组，在短路发生后由于PCC点电压下降幅度有所缓解，从而火电机组电磁有功功率输出明显增加，减少了原动机机械输出有功功率与同步发电机输出电磁有功功率的不平衡，电压跌落扰动期间正阻尼得以增强，抑制功角摆动效果明显，协调LVRT控制风电机组运行方式抑制功角摇摆效果最为明显。

3 结论

现阶段作为我国风电场主流机型（双馈风力发电机组）已基本具备了LVRT功能，且风电场升压站低压母线均安装无功补偿装置。将双馈风力发电机组LVRT功能与无功补偿协调控制，不仅可以增强风电场的LVRT能力，同时也极大提高了电网电压跌落期间系统的暂态稳定性。将风电场已配备的LVRT与无功补偿装置协调配合，不失为一种提高含风电地方电力系统暂态稳定性的既经济、可行又十分有效的措施。

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Influence of the Coordination Controlbetween Reactive Com pensation and Low Voltage Ride Through on Electricity Grid Stability

XU Tao，ZHANGMengbing
（College of Electric Power，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010080，Inner Mongolia，China）

To improve the low voltage ride through capability of the wind turbine unit and the transient stability of the local system containing wind power during voltage drop，this paper proposes some control strategies for the crow-bar protection circuit and the magnetically controlled dynamic reactive power coordination control of the wind turbine unit.When the power grid voltage sag is shallow，the protection circuit is not put into operation，only the reactive compensation can help to realize the low voltage through for the wind turbine unit.When the grid voltage drop is deeper，both the crow-bar protection circuit and the reactive compensation device can be put into operation to improve low voltage ride through capability.The simulation results show that the proposed control strategy can significantly improve the transient stability during voltage sag.

wind farms；low voltage ride through；crowbar protextion Circuit；transient stability

2015-11-15。

徐 涛（1968—），男，副教授，研究方向为电力系统稳定与控制；

（编辑 徐花荣）

内蒙古自然基金项目（2012MS0705）；内蒙古工业大学重点基金项目（ZD201121）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of Inner Mongolia（2012MS0705）；Key Project Fund of Inner Mongolia University of Technology（ZD201121）.

1674-3814（2017）02-0100-04

TM614

B

张梦彬（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制。