分布式网络的故障穿越特性研究

分布式网络的故障穿越特性研究

李月琦

广东省输变电工程有限公司广东省广州市510160

摘要：电力需求的增长推动着分布式发电的发展。本文分析各国对风电机组的并网规程，对比后以英国地区的分布式网络为例。通过DIgSILENTPowerFactory软件建立仿真模型，研究双馈异步风力发电机（DFIG）的动态反馈特性，试验仿真其故障穿越特性对比。分析三相短路故障的情况下，分布式发电机并网后故障穿越特性及对分布式发电机的影响。

关键词：分布式发电，分布式网络，故障穿越特性，DIgSILENTPowerFactory，双馈异步风力发电机

0.引言

近年来，地球环境的恶化及常规性能源紧缩是不可避免的难题。各国达成一致共识，将节能减排设为全球性重点发展目标，着手推进可再生能源发电建设，改善电网结构，促进环境优化。在中国，分布式发电，尤其是风力发电建设规模，拓展速度最快。

目前为止，双馈异步风力发电机DFIG是国内技术最先进的风电机组，具有变速恒频，有功、无功解耦控制，电网运行适应性强等优点。[1]故障时，电网中的并网点电压会有明显的非常态跌落或上升，并且造成强烈振荡和不稳定的暂态过程。甚至，将出现与电网自动解列的情况，造成局部地区恶性停电的现象。为保证电网的稳定性及可靠性，故障穿越能力将纳入电力安全的主要要求。

本文基于英国地区的供电网络进行分析，对相关期刊资料深入学习。通过分布式发电在不同条件影响下的故障穿越特性仿真，验证故障穿越能力的重要性。

1.故障穿越特性

1.1故障穿越特性原理

“故障穿越”为FRT（FaultRideThrough），分别为低电压穿越、高电压穿越及频率穿越。故障穿越特性可释义为：当电力系统遇到故障或不正常扰动时，发电机组的并网点电压或频率值将难以满足电力规程标准中的正常运行值。同时风电机组能在允许范围内的额定电压值或频率值内维持并网状态，并稳定恢复至系统正常运行的能力。[2]

1.2故障持续时间标准

为了让系统保持在稳定状态下，需要风力涡轮机提供无功电流，使相电压故障后升回稳定状态。故障后，LVRT曲线上方为风电系统持续运行，曲线下方为自动解列。[3]我国对故障穿越时间的要求较低。其规定并网点电压跌至0.2p.u.后，在625ms内应保持双馈风电机组的不间断并网运行，经3秒内恢复到并网点额定电压的90%。当电压值下降到一个不可观值时，分布式发电机在低电压故障穿越情况下，可能会“自保”与网络断开。

1.3故障时间段功率控制要求

系统故障时，风电机组在LVRT的要求下，有功功率及无功功率在各国标准有不同体现。文献[3]明确指出系统发生三相故障时，电压值会升高或跌落。故障点后的并网点电压值将在0.2～0.9p.u.之间变化，期间机组应具备在无功增加的同时恢复正常电压值的能力。无功电流补入的基本要求：①响应时间≤75ms；②持续时间≥550ms；③无功电流应不小于1.5×（0.9-UT）IN。（UT-并网点电压，IN为机组额定电流）

2.对称故障对DFIG的暂态影响

2.1双馈感应发电机DFIG基本原理

双馈感应发电机DFIG主要结构是由转子侧变流器、电容器、网侧变流器、进线电抗器及升压变压器组成。[4]该结构弱点为定子绕组直接与电网连接且易受影响，而优点则是转子侧连接变流器（RSC、GSC）的容量小，提高了经济性。

2.2故障电网下双馈感应发电机DFIG的暂态变化

传统意义的故障分别有对称及不对称跌落故障两种，本文针对三相故障。瞬时的故障导致的电压跌落，会在转子侧和定子侧两边产生过电流。而DFIG不断获取无功功率以恢复气隙磁链，直至恢复电网电压正常水平。由于其配备的是小容量小功率的变流器，导致过流过压能力受到一定限制，会对DFIG的保护增加难度。[4]维持DFIG不受损状态并维持电压电流在正常运行范围内，成为暂态变化的主要研究难题。

2.3双馈感应发电机DFIG故障穿越对电网的影响

国内目前的风力发电场已展现增长飞速趋势，风电机组的可靠性将直接影响到电网运行的稳定性。随着风电机组的大量投入，其故障穿越性能则尤为重要。可从以下几点进行剖析：

1）故障穿越性能对稳定性的好处

故障穿越能力帮助风电机组平稳克服一段时间的故障，有效缓解大风电场的脱网危险系数。如果机组不具备故障穿越能力，发生故障后大范围的机组将自动采取“自保”脱网运行，对系统将产生不可估量的危害。[5]

2）电压跌落对系统的影响

电压稳定对系统运行的重要性不容忽视。风力发电机组对电网的敏感度高，如DFIG，其结构决定了机组极易受到故障影响。即使故障时电网内有大量无功补偿装置供应无功需求，也难让电网准确地达到规定的功率控制要求。[2]

3.故障穿越特性仿真案例

3.1仿真案例背景

为了确认本文分析的正确性，利用DIgSILENT软件参照英国地区网络建立模型研究DFIG的故障穿越特性。而本次仿真的主要目的是分析改变负荷、故障距离及保护类型对DFIG故障穿越能力的影响。

设定DFIG的额定功率为5MVA。将变电站和负荷附近作为并网点，模拟连接两组DFIG，并设置故障点1和故障点2。在对应网络中设置相应的参数：①故障动作时间；②故障清除时间；③运行条件；④监测量。

3.2仿真结果

DFIG故障穿越能力影响因素：端子电压、转子电流和滑差。

表1DFIG仿真结果

综上所述，故障点位置为主要因素，保护动作时间及负荷值为非主要因素。由试验结果看出，对称故障对DFIG的影响很大，主要体现在电压跌落明显，转子电流持续振荡及滑差波动。DFIG的不稳定运行随时都会影响系统运行，故对DFIG必须采取保护。

4.结论

为保证电力系统的稳定运行，双馈风电机组的故障穿越能力尤为重要。本文从机组本身内部结构入手，结合国内故障穿越要求，对分布式网络中DFIG的故障穿越能力进行了研究，如下。

1）风电机组需满足规定故障穿越时间内不脱网运行的要求。国内标准要求625ms故障穿越时间，要求应积极向发达国家靠拢。

2）DFIG自身定子与电网直挂，导致其对故障敏感度较高。小容量变流器在过流过压受限制的情况下，也会直接影响对DFIG保护程度。

3）连接DFIG到分布式网络，从故障点位置、保护动作时间及负荷值进行观察，发现故障点位置对DFIG故障穿越能力影响最大。

总之，分布式网络中分布式发电机组应具备故障穿越能力，为系统稳定可靠运行奠定基础。

参考文献

[1]谭伦农,王肖,陈武晖.双馈风电机组不对称故障穿越性能优化[J].电网技术,2014,38(12):3502-3508.

TANLunnong,WANGXiao,CHENWuhui.OptimizationforCapabilityofAsymmetricFaultRideThroughofDFIG[J].Powergridtechnology,2014,38(12):3502-3508.

[2]杨涛,迟永宁,郑涛.双馈变速风电机组低电压穿越控制方案的研究[J].现代电力,2009,26(4):36-40

YANGTao,CHIYongning,ZHENGTao.LVRTControlStrategiesforDFIG-basedPlants,2009,26(4):36-40

[3]赵宏博,汤海雁,张文亮,等.双馈风电机组零电压穿越暂态特性分析及综合控制策略[J].电网技术,2016,40(05):1422-1430.

ZHAOHongbo,TANGHaiyan,ZHANGWenliang,etal.TransientCharacteristicsResearchandIntegratedControlStrategyofDFIGforZeroVoltageRideThrough[J].powergridtechnology,2016,40(05):1422-1430.

[4]RegulationsforGridConnectionTF3.2.3(Denmark).Technicalregulationforthermalpowerstationunitsof1.5MWandhigher,Version5.1[EB/OL].[2008-10].http://www.energinet.dk.

[5]郭家虎,张鲁华,蔡旭.双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护[J].电力系统保护与控制,2010,38(6):40-44

GUOJiahu,ZHANGLuhua,CAIXu.ResponseandprotectionofDFIGsystemunderthree-phaseshortcircuitfaultofgrid[J].Powersystemprotectionandcontrol,2010,38(6):40-44