风电场低电压穿越特性仿真分析范文

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《宁夏电力杂志》2014年第六期

1直驱永磁风电机组风电场低电压穿越特性分析

直驱永磁发电机机端电压最能反映风机低电压穿越特性，当电网发生故障导致风电场电压下降时，风电场内各直驱永磁风电机组机端电压的响应会有所不同，这对各风机低电压穿越有不同的影响，在计及风电场低电压穿越的等值建模中，有必要对风电场内所有风机的低电压穿越特性特别是风机机端电压进行分析。将电力线路抽象为图2所示的线路进行分析。

1.1单台风机接电网将风电场内单台风机接电网时电力线路抽象为图3所示的线路进行分析。图中U1为风机机端电压，U2为风机箱式变压器高压侧电压，U3为风机箱式变压器高压侧电压，P1+jQ1为风机输出功率，P2+jQ2为箱式变压器高压侧功率，P3+jQ3为风电场主变压器低压侧功率，jXT为风机箱式变压器漏抗，R+jX为集电线路阻抗。这是由于风电场无功从风机箱变压器高压侧流向风电场主变压器低压侧，和有功流向相同，因此风电场箱式变压器高压侧电压高于风电场主变压器低压侧电压。直驱永磁风电机组通过变流器并网，在低电压穿越期间，由于变流器功率器件的限制，输出电流会达到其上限，因此在低电压穿越运行期间，风机发出电流较稳态时变化不会很大，因此风电场内各风机机端电压差及各风机机端与风电场主变压器低压侧的电压差也不会出现大的改变。由上述分析可知：当风机稳态运行时，风机不发无功，一般情况下离风电场电气距离最近的那台风机到风电场主变压器低压侧也有一段距离，这段距离大致可以使风机机端电压与箱式变压器高压侧的电压差比风电场主变压器低压侧到箱式变压器高压侧的电压差要小，即可大致认为风机机端电压高于风电场主变压器低压侧电压，具体大小还需计算得知。当风机低电压穿越运行时，风机发出无功，风机机端电压高于风电场主变压器低压侧电压。风机模型低电压穿越时不发无功，同时由于电压的降低，风机发出的有功也会减少，因此风机在低电压穿越期间，风机机端与箱式变压器高压侧之间、箱式变压器高压侧和风电场主变压器低压侧之间电压差反而会减小。

1.2多台风机接电网当风电场场内风机按干线式接线时，将风电场内多台风机接电网时电力线路抽象为图4所示的线路进行分析。多台风机接电网只是单台风机接电网时的叠加，分析过程和单台风机分析方法一致。风机在稳态运行和低电压穿越运行时，越远离风电场主变压器低压侧的风机，机端电压越高，且低电压穿越运行时电压差要比稳态运行时电压差小。

2风电场低电压穿越特性仿真分析

2.1风电场各风机低电压穿越电压响应仿真为了更进一步比较风电场内所有风机低电压穿越特性，本文在宁夏嘉泽风电场中进行了仿真研究。在风电场出线上构造故障，使风电场电压跌落至不同水平，分析风电场低电压穿越期间各风机机端电压的响应。由于宁夏电网有2种运行方式：甘电送宁和宁电送甘。风电场有2种工况：大风和小风。因此本文中所有的故障均要在4种方式下进行仿真。本文构造故障如下：风电场出线50%处三相短路接地故障，接地阻抗为X=0.09p.u.，1.0s出现故障，1.3s故障消失。风电场电压大致跌落至45%。甘电送宁大风、甘电送宁小风、宁电送甘大风、宁电送甘小风情况下各监测点的电压曲线如图5所示。从图5中可以看出，当风电场电压跌落至45%左右时，风电场主变压器低压侧电压和风机机端电压相差不大，从图中基本上看不出差别。从仿真数据中计算出风电场内机端电压最低值与主变压器低压侧电压差、机端电压最高值与机端电压最低值的电压差，如表1所示。从表1中可以看出，无论是稳态还是暂态，风机机端电压都要比主变压器低压侧电压高；从另一方面来看，风机机端电压之间、风机机端电压和主变压器低压侧电压之间的电压差都很小。因此，在故障的情况下，宁夏嘉泽风电场内所有风机机端电压都要高于主变压器低压侧电压，所有风机机端电压之间及风机机端电压和主变压器低压侧电压之间的差别均很小。在4种运行方式下，分别选出2个电压差—风电场内机端电压最低值与主变压器低压侧电压差、机端电压最高值与机端电压最低值电压差，如表2所示。由表2可以看出，宁夏嘉泽风电场中各风机机端电压在上述故障中的差别均很小，特别是在低电压穿越期间，差别更小。因此可以认为：在宁夏嘉泽风电场中，所有风机的机端电压近似相等，当所有风机并网运行时，这些风机的电压状态是一致的。本文中直驱风电场最长集电线路10km，风机数为11台，低电压穿越期间各风机机端电压差最大为0.00337p.u.；在实际风电场中，每条集电线路的长度最长约12~15km，风机数最多15台，通过简单比较可知，其各风机机端电压差在10-3p.u.数量级，差别不大。

2.2系统故障对风电场低电压穿越能力验证仿真风机具有低电压穿越能力是指，电网发生故障引起风力发电机组输出端电压跌落，当风力发电机机端电压值在图6中电压轮廓线及以上区域内时，风力发电机组应能保证不脱网连续运行。宁夏嘉泽风电场并入宁夏电网后，当宁夏电网主网发生故障时，仿真研究了该风电场的低电压穿越性能。仿真过程中，当风机机端电压满足如图6所示的曲线时，认为风机不脱网。风电场附近线路的地理接线图如图7所示，各风电场在宁夏牛首山变电站汇流后升压输送至330kV宁夏侯桥变电站。仿真故障选取时本着对宁夏嘉泽风电场影响较大的原则，分别仿真“侯桥-黄河”“侯桥-甜水河”2条线路三相永久性故障，宁夏嘉泽风电场是否能实现低电压穿越，下面以“侯桥-黄河”线路三相永久性故障为例进行说明。故障形式：在“侯桥-黄河”线路50%处引入三相短路接地故障，1.0s出现故障，1.1s切除线路。4种方式下风电场内机端电压最低的风机的机端电压如图8所示。由仿真可知，在“侯桥-黄河”线路上出现三相永久性故障时，甘电送宁大风、甘电送宁小风、宁电送甘大风、宁电送甘小风4种方式下宁夏嘉泽风电场内机端电压最低的风机的机端电压分别降至0.6378p.u.、0.5519p.u.、0.7142p.u.、0.5579p.u.，远未达到风机切机动作值。因此认为，在“侯桥-黄河”线路上出现三相永久性故障时，宁夏嘉泽风电场不会脱网。在“侯桥-甜水河”线路上同样引入三相永久性故障，仿真结果表明，宁夏嘉泽风电场依然不会脱网。

3仿真结果

（1）在风电场馈线发生故障情况下，甘电送宁大风、甘电送宁小风、宁电送甘大风、宁电送甘小风不同运行方式下，风电场内各风电机组机端电压最大差别小于0.01p.u.，用聚类等值机能够代表被等值机组的运行工况。（2）在系统发生故障情况下，在甘电送宁大风、甘电送宁小风、宁电送甘大风、宁电送甘小风不同运行方式下，风电场最低电压大于0.55p.u.，未达到风电机组脱网限制，风电场各风电机组均未发生脱网，该风电场具备低电压穿越能力。

4结论

（1）在直驱永磁风电机组构成的风电场中，风机的机端电压状态一致。经仿真分析验证，在不同的运行工况下，宁夏嘉泽风电场不会脱网，具备低电压穿越的能力。（2）在风电场的其它风机与其被抽检的风机型号相同的条件下，如果被抽检的风电机组具备低电压穿越能力，可认为该风电场也具备低电压穿越能力。（3）本文仿真分析为检验风电场低电压穿越能力提供了行之有效的方法。

作者：杨雪红单位：国网宁夏电力公司电力科学研究院