楊偉偉，王碩禾，陳 金2，牛江川，張冰華

(1. 石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；2. 河北鯤能電力工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050022)

近年來，由于雙饋感應發(fā)電機(DFIG)具有調速范圍廣、有功與無功可獨立解耦控制等優(yōu)點，因此被風電場作為主要商用機型廣泛使用。隨著雙饋式風電場的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，接入系統(tǒng)的容量也越來越大，國家電網(wǎng)公司對風電接入的要求越來越高。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，為了避免類似甘肅酒泉等風電基地大規(guī)模脫網(wǎng)事故發(fā)生[1-2]，國家電網(wǎng)公司提高了風電場并網(wǎng)要求。國家標準GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》[3]中規(guī)定，風電場必須要具有低電壓穿越(LVRT)能力，因此現(xiàn)有雙饋風力發(fā)電機組普遍具備了LVRT能力。因為單臺風機容量小，所以風電場并網(wǎng)結構大多為放射性拓撲型式，其中，集電系統(tǒng)是實現(xiàn)匯流功能重要環(huán)節(jié)。集電系統(tǒng)是指風機箱式變壓器與升壓變壓器間的電氣連接部分，包括集電線路、斷路器和匯流母線等元件[4]。集電線路具有線路較長和回路較多的特點，作為重要的功率傳輸路徑，其短路電流應該是風電場電氣安全規(guī)劃中考慮的重點[5-7]，因此對LVRT期間的風電場集電線路短路電流進行深入研究非常有意義。

目前，已經(jīng)有一些國內和國際學者研究了風機短路電流特性。文獻[7]中仿真分析了風電場提供的短路電流與故障時風電場接入系統(tǒng)的容量、投運的風電機組數(shù)、風速的關系，認為只根據(jù)單個因素考慮風電場保護整定是不精確的。文獻[8]中計及撬棒保護，仿真分析了多種影響風電場短路電流的因素，其中故障點位置、故障類型對DFIG風電場短路電流具有顯著影響，輸入風速、集電阻抗主要影響短路電流暫態(tài)峰值，而撬棒阻值主要影響短路電流衰減時間常數(shù)。文獻[9-10]中從DFIG數(shù)學模型出發(fā)，得到了風電場整個LVRT期間的短路電流。文獻[11]中從風電場保護整定的角度出發(fā)，推導了撬棒電阻投入和LVRT全階段的短路電流方法。文獻[12]在討論集電線路電流保護整定時認為，如果不計及非故障集電線路，則風機流入的短路電流將產(chǎn)生不小于5%的誤差。文獻[13]中通過分析LVRT控制策略對短路電流的影響機理，發(fā)現(xiàn)在故障期間LVRT會對DFIG的短路電流特性造成很大影響，并建立了DFIG短路電流計算的等效模型。綜上，文獻對風機的短路電流研究較多，但專門針對自身距離較長并且回路較多的特點研究集電線路的短路電流的文獻較少。

以上述研究為基礎，以雙饋式風電場集電線路為主要研究對象，對作為匯流并傳輸功率長線路的集電線路的短路電流特性進行深入分析。首先結合風電機組LVRT期間的短路電流特性，推導出集電線路不同距離故障點短路電流的計算公式； 進一步分析影響集電線路短路電流的主要因素， 得到考慮主要因素的饋線故障短路電流的變化曲線；結合風電場中壓集電點(PCC)母線電壓跌落程度，得出不同故障距離集電線路短路電流的變化規(guī)律，并且分析故障線路與非故障線路對短路點短路電流的貢獻；最后通過電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC以某風電場為實例搭建仿真模型進行驗證。

1 風電場并網(wǎng)結構及低電壓穿越要求

1.1 風電場并網(wǎng)結構

圖1為風電場典型拓撲機構。并網(wǎng)風電場一般由風機、箱式變壓器、集電線路、中高壓匯流母線、主變壓器以及送出線路組成。風電機組以一定數(shù)量按所連接集電線路進行聚類分組。

圖1 風電場典型拓撲結構

1.2 低電壓穿越具體要求

近年來國家電網(wǎng)公司對風電場LVRT的要求標準提高。國家標準《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》[3]要求：1)當電網(wǎng)發(fā)生故障，在并網(wǎng)點電壓跌落至額定電壓的20%時，風電機組必須保證不脫網(wǎng)，且使其連續(xù)運行625 ms；2)在并網(wǎng)點電壓跌落后，風電場并網(wǎng)點電壓能夠恢復到額定電壓的90%，整個過程要在2 s內完成，之后保證風電場不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

2 LVRT期間DFIG短路全電流特性分析

DFIG結構模型如圖2所示。DFIG轉子電路通過背靠背雙脈寬調制(PWM)變流器接入電網(wǎng)，風機定子繞組電路直接接入電網(wǎng)[14-15]，轉子側變換器控制策略為定子磁鏈定向矢量控制，通過轉子側變換器實現(xiàn)發(fā)電運行狀態(tài)最大風能追蹤。為了達到控制電機轉速的目的，采用前饋控制和磁鏈定向結合的方法，實現(xiàn)無功功率和有功功率的解耦，使得DFIG具有靈活的無功調節(jié)能力[16]。網(wǎng)側變換器的控制策略以保持直流側電壓恒定和功率因數(shù)控制為目的，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，直流側無功功率和電壓由外環(huán)比例積分(PI)調節(jié)器控制；q軸和d軸的電流由內環(huán)PI調節(jié)器控制。撬棒保護用于轉子短路保護，當發(fā)生故障時，信號越限，撬棒保護投入，短接轉子繞組使撬棒電阻消納短路電流以旁路轉子側變流器，從而限制轉子繞組過流和直流母線過壓，以維持DFIG的不脫網(wǎng)運行。

AC—交流電；DC—直流電。圖2 雙饋感應發(fā)電機拓撲結構

DFIG采用撬棒保護電路和四象限變換器矢量控制配合實現(xiàn)LVRT。當機端發(fā)生故障時，DFIG短路電流由定子輸出的短路電流和功率變流器輸出的短路電流組成。忽略變流器短路電流(其值很小)，可以認為DFIG機端短路電流等于定子短路電流。

采用空間矢量坐標系，定轉子采用發(fā)電機慣例，理想情況下DFIG數(shù)學模型[17]為

(1)

(2)

ψs=Lsis+Lmir，

(3)

ψr=Lrir+Lmis，

(4)

Ls=Lsσ+Lm，

(5)

Lr=Lrσ+Lm，

(6)

式中：us、ur分別為定子、轉子繞組的電壓；is、ir分別為定子、轉子繞組的電流；Rs、Rr分別為定子、轉子繞組的電阻；ψr、ψs分別為定子、轉子繞組的磁鏈；ωs、ωs-r分別為同步角速度和轉差角速度；Ls、Lr分別為定子、轉子繞組的電感；j為虛數(shù)單位；Lm、Lsσ、Lrσ分別為激磁電感、定子漏感和轉子漏感。

根據(jù)公式(3)—(6)推導出定、轉子電流的數(shù)學模型為

(7)

(8)

Lm、Lsσ、Lrσ分別為激磁電感、定子漏感和轉子漏感。為定子繞組暫態(tài)電感；為轉子繞組暫態(tài)電感。圖3 故障下定子、轉子暫態(tài)等效電路

當短路故障發(fā)生時，由并網(wǎng)型風電機組工作原理可知，此時撬棒保護電路投入，分擔轉子側短路電流，因為定子、轉子具有耦合關系，所以隨著轉子側短路電流的減小，定子側感應磁鏈必然減小，進而影響定子側電流的值。

LVRT期間短路電流可以分為以下2種情況考慮：第1種情況為撬棒投入，變流器閉鎖；第2種情況為撬棒退出，變流器工作。由式(1)—(6)可以得到DFIG暫態(tài)等值電路。圖4所示為含撬棒電阻后的DFIG暫態(tài)等值電路。

us、ur分別為定子、轉子繞組的電壓；is、ir分別為定子、轉子繞組的電流；Rs、Rr分別為定子、轉子繞組的電阻； ψr、ψs分別為定子、轉子繞組的磁鏈；ωs、ωs-r 分別為同步角速度和轉差角速度；Ls、Lr分別為定子、轉子繞組的電感；j為虛數(shù)單位；Lm、Lsσ、Lrσ分別為激磁電感、定子漏感和轉子漏感；RCB為撬棒電阻。圖4 含撬棒電阻后的雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)等值電路

根據(jù)DFIG等值電路，經(jīng)過數(shù)學推導可以得到轉換到abc坐標系下的LVRT期間全電流估算(本文中以A相為例)為

(9)

(10)

3 集電線路短路電流影響因素分析

圖5所示為集電線路故障時風電場等值電路，假設在圖1中第1組集電線d處發(fā)生故障，圖6為其簡化等值電路。

Zs、ZB、Zl分別為系統(tǒng)阻抗、主變壓器阻抗和傳輸線路阻抗；Zx1、Zj1、Zg1和Zxn、Zjn、Zgn分別為第1條和第n條的箱式變壓器阻抗、箱式變壓器至中壓集電點母線連接線阻抗和風機阻抗；為短路點d到集電線路出口處的阻抗。圖5 集電線路故障時風電場等值電路

Z1∑、Z2∑、Z3∑、Z4∑分別為經(jīng)過折算和串并聯(lián)等值聚合之后的系統(tǒng)到d的轉移阻抗、故障線路到d的轉移阻抗、故障組相鄰線路到d的轉移阻抗、其他組到d的轉移阻抗。圖6 集電線路故障時風電場簡化電路

(11)

考慮風電場最大、最小運行方式可引入短路電流修正系數(shù)k，結合式(11)和簡化電路可以得到d點短路電流為

(12)

特別地，當電壓驟降為0時，由于風機沒有零電壓穿越功能，此時故障線機組將會有風機本體保護切斷，因此不再提供短路電流。

分析式(10)可以發(fā)現(xiàn)，集電線路短路電流的數(shù)值與故障點在集電線路上的位置和風電場的運行方式以及系統(tǒng)的阻抗大小有關。具體關系可以由故障點與PCC點之間的距離l與流過集電線路的最大短路電流Idf的集電線路電流變化曲線(圖7)來體現(xiàn)。圖中A、B點分別為集電線路出口處第一臺風電機組接入點和最后一臺風電機組接入點。

l—故障點到中壓集電點之間的距離；Idf—流過集電線路的最大短路電流；ILVRT,max—故障后進入LVRT狀態(tài)保持不脫網(wǎng)運行時集電線路的最大短路電流;Iload,max—最大負荷電流。曲線Iij、Iijcrowbar分別為未LVRT以及LVRT的風電機組故障時的最大短路電流。圖7 集電線路電流變化曲線

4 仿真驗證

圖8所示為風電場電氣仿真接線圖。本文中以廣西某風電場為例，采用單臺1.5 MW的DFIG，其參數(shù)見表1。風機發(fā)出690 V電壓，經(jīng)過箱式變電器升壓至33 kV，然后經(jīng)過升壓變壓器變壓到110 kV，并入大電網(wǎng)，風電場總容量為49.5 MW。機群分為3組，每組由11臺同型雙饋風機組成，由于實際搭建33臺風機模型會導致仿真計算過多，為了減小計算機壓力，因此第1組按11臺風機并聯(lián)接線，第2、3組進行了11臺風機等值仿真。分3回長為7.457 km的集電線路送至匯流母線，采用的電纜RL為0.37 Ω/km，XL為0.138 Ω/km，經(jīng)計算ZL為0.395 Ω/km。仿真過程中保持風速為11 m/s。系統(tǒng)正序阻抗為0.017 p.u.。其他設備參數(shù)設置如表2所示。設置1 s時集電線路不同位置發(fā)生短路，短路持續(xù)時間為0.3 s。

圖8 風電場仿真接線圖

表1 單臺雙饋感應電機設備運行參數(shù)

表2 變壓器工作參數(shù)

圖9、10分別為距離33 kV PCC母線的7 km、1 km處的集電線路三相短路短路電流和PCC母線電壓仿真圖。由圖可知，當故障發(fā)生在距離33 kV PCC母線7 km處時，PCC母線電壓跌落50%，集電線路短路電流最大值為0.25 kA，穩(wěn)態(tài)值為0.1 kA；當故障發(fā)生在距離33 kV PCC母線1 km處時，PCC母線電壓跌落75%，集電線路短路電流最大值為0.42 kA，穩(wěn)態(tài)值為0.18 kA。

表3為距離33 kV PCC母線4 km處的集電線路三相短路短路電流和PCC母線電壓數(shù)據(jù)。PCC母線電壓跌落41%，穩(wěn)態(tài)值為0.16 kA。對比圖9、10分析發(fā)現(xiàn)，故障點越靠近PCC母線，電壓跌落越嚴重，集電線路短路電流暫穩(wěn)態(tài)值越大。同時，對比故障集電線電流與非故障集電線電流發(fā)現(xiàn)，故障集電線電流對短路點電流的貢獻要比非故障集電線大很多，一般相差10倍左右。

(a)電流曲線

(b)電壓曲線圖9 距離33 kV中壓集電點母線7 km處三相短路短路電流和電壓

(a)電流曲線

(b)電壓曲線圖10 距離33 kV中壓集電點母線1 km處三相短路短路電流和電壓

表3 4 km處故障時故障集電線與非故障集電線短路電流

表4為機端和熔斷器處故障時PCC母線電壓、短路電流、機端和熔斷器位于集電線路的分支上，分析表中數(shù)據(jù)可知，集電線路分支同樣符合故障點越靠近PCC母線，電壓跌落越嚴重，集電線路短路電流暫穩(wěn)態(tài)值越大的規(guī)律。上述結果驗證了理論分析的正確性。

表4 機端和熔斷器處故障時中壓集電點母線電壓、短路電流

5 結論

本文中研究了DFIG在LVRT期間的短路電流特性，通過等值簡化風電場拓撲結構，推導出集電線路不同位置故障時的短路電流計算公式，結合公式分析得到考慮主要因素的集電線路短路電流變化曲線，發(fā)現(xiàn)短路電流變化規(guī)律。最后通過PSCAD仿真驗證了故障點越靠近PCC母線，電壓跌落越嚴重，集電線路短路電流暫穩(wěn)態(tài)值越大；比較了故障線路與非故障線路對短路電流大小的貢獻，即故障線路一般是非故障線路短路電流的10倍左右。該研究成果對風電場電氣安全設計具有一定的參考價值。