黃學(xué)良 劉志仁 祝瑞金 楊增輝 周 贛 王朝明 季振亞

（1. 東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心 南京 210096 2. 無錫供電公司 無錫 214061 3. 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司 上海 200437）

1 引言

當(dāng)今社會(huì)能源緊缺，溫室效應(yīng)愈加嚴(yán)重，各國(guó)都在爭(zhēng)相發(fā)展可再生的潔凈能源。風(fēng)能作為一項(xiàng)綠色能源在我國(guó)越來越受到重視，從1986年5月山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)，至 2008年底，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量13 242.2MW。據(jù)專家估計(jì)，我國(guó)總共可開發(fā)風(fēng)能資源約為10億kW，大約相當(dāng)于中國(guó)目前電力裝機(jī)總量的 2倍[1]。因此在未來，我國(guó)風(fēng)電仍將快速發(fā)展，裝機(jī)容量必將持續(xù)大幅度增加，風(fēng)電并網(wǎng)容量隨之越來越大。但風(fēng)力發(fā)電其自身間歇性、不可控、無調(diào)頻能力、控制復(fù)雜等特點(diǎn)，使得其接入電網(wǎng)后可能給電網(wǎng)帶來一系列問題[2]。

風(fēng)電場(chǎng)有功輸出主要受風(fēng)速、氣壓、溫度等多方面影響，經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)，從而可能影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，特別是當(dāng)系統(tǒng)備用容量不足時(shí)，影響更加明顯?，F(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)多采用基于雙饋式異步發(fā)電機(jī)（DFIG）的變速恒頻機(jī)組（VSCF），其具備一定的無功發(fā)出能力，因此風(fēng)電場(chǎng)電壓?jiǎn)栴}相較之采用恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組（CSCF）得到了一定的改善。但現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組無功控制方式存在電壓偏差過大，可能引起閃變，甚至電壓穩(wěn)定問題。此外風(fēng)電場(chǎng)的接入還可能對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定造成不利影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)做了一系列研究，文獻(xiàn)[3-4]研究了大規(guī)模恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)的相互影響；文獻(xiàn)[5]分析了風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)[6-8]使用了仿真的方法研究了大規(guī)模變速恒頻風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定造成的影響；文獻(xiàn)[9]通過采用仿真的方法比較了風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的各種方式。本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)增大、電壓偏差和電壓波動(dòng)增大以及暫態(tài)穩(wěn)定性變差的原理進(jìn)行分析，并提出改善以上不利影響的措施。然后在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSS/E中建立南通電網(wǎng)的模型，其中包括南通龍?jiān)达L(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)電機(jī)組的接入對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定以及暫態(tài)穩(wěn)定造成影響，采取相應(yīng)措施可以減小這些影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

2 風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)影響分析

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其數(shù)學(xué)模型[10-11]

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制模型如圖1所示，它的核心為一臺(tái)繞線式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸通過一個(gè)齒輪箱與風(fēng)力機(jī)相連，負(fù)責(zé)向發(fā)電機(jī)輸送機(jī)械功率；其轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器和變壓器與電網(wǎng)相連，負(fù)責(zé)向發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁；其定子直接與電網(wǎng)相連，向電網(wǎng)傳輸電功率。

風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)的功率特性為

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與控制模型Fig.1 The structure and control model of DFIG wind turbine

式中 ρ ——空氣密度;

A——風(fēng)輪掃風(fēng)面積；

Cp——風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)；

λ——葉尖速比，λ=ΩR/v；

Ω ——風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；

R——葉片半徑；

β——槳距角；

v——風(fēng)速。

可見風(fēng)力機(jī)可以在某一風(fēng)速下通過改變其轉(zhuǎn)速和槳距角取得最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù) Cp,max，從而在該風(fēng)速下捕獲的最大風(fēng)能為

根據(jù)雙饋電機(jī)中的功率關(guān)系，相應(yīng)定子輸出的有功功率Ps,ref為

式中 s——轉(zhuǎn)差率；

Ps,loss——電機(jī)鐵耗、定子銅耗及機(jī)械損耗之和。

通過齒輪箱的轉(zhuǎn)速變換，將風(fēng)力機(jī)的低轉(zhuǎn)速變換為發(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速，可得

式中 ω

——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；n——齒輪箱轉(zhuǎn)速變比。

忽略摩擦等非理想因素，可以獲得風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程為

式中 Hg——風(fēng)電機(jī)組慣性常數(shù)；

Tm, Te——風(fēng)電機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制系統(tǒng)是通過轉(zhuǎn)子電壓矢量ur控制轉(zhuǎn)子電流ir實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)定子有功功率和無功功率的解耦控制，通常雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制：

式中 ψs——定子磁鏈；

ψsd, ψsq——定子磁鏈d、q軸分量。

由此可得發(fā)電機(jī)定子側(cè)的功率方程為

式中 Ps——雙饋電機(jī)定子輸出的有功功率；

Qs——雙饋電機(jī)定子輸出的無功功率；

Us——定子電壓幅值；

ird, irq——雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量；

usd, usq——雙饋電機(jī)定子電壓d、q軸分量；

Lm——雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子間互感；

Ls——雙饋電機(jī)定子自感。

式（3）計(jì)算所得 Ps,ref為風(fēng)電機(jī)組的定子有功功率控制目標(biāo)，再通過式（7）實(shí)現(xiàn)，則此時(shí)風(fēng)電機(jī)組根據(jù)式（6）改變轉(zhuǎn)速捕獲最大風(fēng)能以獲得最優(yōu)效率。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組則根據(jù)式（2）調(diào)節(jié)槳距角和轉(zhuǎn)速方式將發(fā)出功率限制在額定功率以內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，應(yīng)該將風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中切除以保證風(fēng)電機(jī)組的安全，圖2為變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型功率特性曲線，從圖中可以看出，在通常風(fēng)速下（5～12m/s），風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率隨著風(fēng)速的變化在一個(gè)較大的區(qū)間內(nèi)變動(dòng)。

圖2 變速恒頻機(jī)組典型有功特性曲線圖Fig.2 Typical power characteristics of VSCF

由式（7）還可以得到發(fā)電機(jī)定子可以吸收或發(fā)出無功功率，其值通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制。同時(shí)變頻器電網(wǎng)側(cè)輸出的無功也可以通過變頻器控制。一般控制策略中，為了充分利用變頻器的控制能力并盡可能發(fā)出更多的有功功率，電網(wǎng)側(cè)變頻器一般不發(fā)出或吸收無功功率，保持與電網(wǎng)的無功交換為零[12]，即雙饋電機(jī)與電網(wǎng)的無功功率交換只通過發(fā)電機(jī)定子完成。由此可見，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子無功功率均可控，整個(gè)機(jī)組具有較好的無功連續(xù)調(diào)節(jié)能力。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功控制策略通常采用額定電壓控制或者額定功率因數(shù)控制。為降低控制器的復(fù)雜程度，現(xiàn)有雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用額定功率因數(shù)進(jìn)行控制，且將功率因數(shù)設(shè)定為 1，即風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)沒有無功功率交換。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)存在發(fā)電機(jī)組多、集中分布等特點(diǎn)，在電氣主接線方面與普通發(fā)電廠有很大區(qū)別，圖3為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)示意圖。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)示意圖Fig.3 Scheme of the wind farm integration to power system

對(duì)比傳統(tǒng)火電廠，風(fēng)電場(chǎng)接線有如下特點(diǎn)：

（1）常規(guī)發(fā)電廠，一級(jí)升壓接入系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)機(jī)端變壓器、風(fēng)電場(chǎng)主變壓器兩級(jí)升壓接入系統(tǒng)，在場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生兩次電壓降和兩次有功、無功功率損耗后才接入電力系統(tǒng)。

（2）風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量很多，但由于其一般采用相同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組和相同的控制策略，各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組集中放置且排布整齊，對(duì)外的功率特性應(yīng)該基本相同，因此風(fēng)電場(chǎng)對(duì)外功率特性應(yīng)該和單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基本類似。在通常風(fēng)速下，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率隨著風(fēng)速的變化在一個(gè)較大的區(qū)間內(nèi)變動(dòng)。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)有功頻率影響分析

風(fēng)電場(chǎng)有功出力主要由運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速?zèng)Q定，其有功出力是間歇的，不穩(wěn)定的，如圖2所示。

由于本文中的風(fēng)電機(jī)組采用變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其通過勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)，保持機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定。由此可見，在研究靜態(tài)頻率控制時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率可看作只與風(fēng)能變化有關(guān)，而與系統(tǒng)頻率無關(guān)[13]。假設(shè)電網(wǎng)按照風(fēng)電場(chǎng)平均功率調(diào)度，則考慮了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性后電力系統(tǒng)的調(diào)頻可以用式（8）描述

式中 ?PL0Σ——負(fù)荷功率預(yù)測(cè)誤差；

?PG0Σ—電力系統(tǒng)中參與二次調(diào)頻的機(jī)組總的有功功率增量；

?PGWΣ——風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與其平均功率之差；

?f ——電力系統(tǒng)頻率增量。

如系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，即?f =0，可得

當(dāng)?PL0Σ與?PGWΣ符號(hào)相同時(shí)，可以通過減小?PG0Σ以達(dá)到系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié)，此刻風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)呈調(diào)峰特性；當(dāng)?PL0Σ與?PGWΣ符號(hào)相反時(shí)，必須通過增大?PG0Σ以達(dá)到系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié)，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)呈反調(diào)峰特性。同時(shí)也可以看出，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)呈調(diào)峰特性時(shí)，系統(tǒng)剩余熱備用容量增大，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度提高；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)呈反調(diào)峰特性時(shí)，系統(tǒng)剩余熱備用容量減小，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度降低。特別當(dāng)系統(tǒng)備用容量不足或者響應(yīng)速度較慢，將無法滿足式（9）的要求，造成系統(tǒng)頻率波動(dòng)。

風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有隨機(jī)性，其在電力系統(tǒng)中經(jīng)常呈現(xiàn)反調(diào)峰，如圖4所示。由此可見，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)輸出功率預(yù)測(cè)，并與系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)相結(jié)合，以此合理安排系統(tǒng)熱備用容量，同時(shí)通過技術(shù)手段限制風(fēng)電場(chǎng)出力的變化量（如開發(fā)高效率儲(chǔ)能裝置等），對(duì)于系統(tǒng)維持頻率穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

圖4 南通電網(wǎng)某日功率曲線圖Fig.4 Power curve of Nantong grid at one day

2.4 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)無功電壓影響分析

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用額定功率因數(shù)控制，且通常設(shè)定為 1，即與電網(wǎng)無無功功率交換，如 2.1節(jié)中所述。由于風(fēng)電場(chǎng)是兩級(jí)升壓，無功損耗較大，加之線路無功損耗，因此風(fēng)電場(chǎng)送出有功功率要消耗大量的無功功率，造成并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）母線較大的電壓偏差與電壓波動(dòng)。風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的等效電路如圖5所示，其中RS、XS為并網(wǎng)點(diǎn)的系統(tǒng)電阻、電抗，RW、XW為線路與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)兩級(jí)變壓器電阻、電抗之和，BL為線路對(duì)地電容與變電站補(bǔ)償電容之和，BT為變壓器的勵(lì)磁電抗，由于線路對(duì)地電導(dǎo)與變壓器勵(lì)磁損耗較小，此處均忽略。PL、QL為并網(wǎng)變電站的負(fù)荷。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the wind farm integration to power system

從潮流計(jì)算角度看系統(tǒng)點(diǎn)S為平衡節(jié)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)W為PQ節(jié)點(diǎn)，并網(wǎng)變電站L為PQ節(jié)點(diǎn)，由此可得該系統(tǒng)計(jì)算方程為

通常變壓器有功損耗較小，勵(lì)磁損耗也較小，此處忽略RW與BT，可得

忽略電壓降落縱分量，則

式中 US——系統(tǒng)電壓，恒量。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)功率因數(shù)設(shè)定為1時(shí)，QW=0。根據(jù)式（11）～式（13）可以得到，當(dāng)其發(fā)出的有功PW開始增加時(shí)，可以就地平衡并網(wǎng)變電站當(dāng)?shù)氐挠泄π枨螅藭r(shí)并網(wǎng)變電站從電網(wǎng)側(cè)吸收的有功功率P1減小，電網(wǎng)主要向并網(wǎng)變電站輸送無功負(fù)荷及傳輸風(fēng)電場(chǎng)有功功率所產(chǎn)生的無功功率需求Q1，其隨著PW的增加而增加，在P1、Q1的共同作用下，并網(wǎng)變電站電壓UL基本保持穩(wěn)定，略有上升；隨著風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出有功功率的增加，并網(wǎng)變電站開始向網(wǎng)絡(luò)輸送有功功率（P1<0），同時(shí)從系統(tǒng)吸收的無功功率Q1持續(xù)增加，由于XS?RS造成Q1占據(jù)主導(dǎo)作用，并網(wǎng)變電站的電壓UL開始下降。當(dāng)下降到一定程度時(shí)，該點(diǎn)電壓將因電壓過低無法滿足運(yùn)行要求，電壓繼續(xù)下跌還可能引發(fā)電壓崩潰。與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓也會(huì)大幅下降，當(dāng)電壓低于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行限值時(shí)將引發(fā)風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)動(dòng)作，使得風(fēng)電場(chǎng)退出運(yùn)行?？梢姡L(fēng)電場(chǎng)接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓造成影響，其發(fā)出有功功率的大范圍變動(dòng)會(huì)造成整個(gè)運(yùn)行區(qū)間較大的電壓偏差。

風(fēng)電機(jī)組由于風(fēng)速波動(dòng)造成輸出功率波動(dòng)會(huì)引起電壓波動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組由于塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素造成輸出功率波動(dòng)，波動(dòng)頻率通常在0.1～35Hz，會(huì)造成電壓閃變，危害電網(wǎng)的電能質(zhì)量[14]，應(yīng)該對(duì)此引起足夠重視。

風(fēng)電場(chǎng)在大風(fēng)速下并網(wǎng)電壓過低可以通過在風(fēng)電場(chǎng)加裝并聯(lián)電容器BL解決，但補(bǔ)償容量過大時(shí)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率PW較小時(shí)將造成Q1＜0且Q1值較大，可能形成過電壓。若通過投切電容器組的方式改變并聯(lián)電容則存在響應(yīng)速度過慢以及投切次數(shù)限制等問題。此外，補(bǔ)償電容器過多且不合理還可能降低系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度[15]。

根據(jù)式（12）～式（13），如假設(shè)UL變化不大，XS?RS，在Q1值較大時(shí)UL的變化量?UL為

由式（11）可知在PW增大時(shí)增大QW，就可以減小?Q2，進(jìn)而減小?UL，反之亦然。因此適度調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的額定功率因數(shù)將有利于風(fēng)電場(chǎng)大功率輸出下減小并網(wǎng)變電站母線的電壓偏差與電壓波動(dòng)，但此功率因數(shù)不應(yīng)該超過風(fēng)電機(jī)組的額定功率因數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組若采用額定電壓控制會(huì)明顯減小并網(wǎng)變電站母線電壓偏差與電壓波動(dòng)，這在下文的仿真中得到了很好的驗(yàn)證。

此外根據(jù)式（14）還可以得到電壓波動(dòng)?UL與RS、XS即并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)的短路容量密切相關(guān)，通過加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、接入高電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)等方式增大并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量可以有效減小風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)造成的電壓偏差以及電壓波動(dòng)。

2.5 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響分析

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓瞬時(shí)下降到很低的值，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)浪涌電流，其幅值可以達(dá)到額定電流值的2～3倍[16]，如果不能有效地抑制這種暫態(tài)電流，則與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接的變頻器就會(huì)因?yàn)檫^電流而退出運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)處于失磁狀態(tài)，必須通過低電壓保護(hù)從系統(tǒng)中切除。因此，故障下風(fēng)電場(chǎng)將退出電力系統(tǒng)，這將對(duì)系統(tǒng)在故障后的恢復(fù)造成不利影響。

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)（LVRT）的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。LVRT功能是指風(fēng)電機(jī)組端電壓降低到一定值的情況下風(fēng)電機(jī)組能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行的能力，避免風(fēng)電場(chǎng)退出對(duì)系統(tǒng)的沖擊。此外由于風(fēng)電機(jī)組慣性常數(shù) Hg較小發(fā)生擾動(dòng)后調(diào)節(jié)時(shí)間較短，因此有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

3 仿真分析

3.1 仿真模型介紹

本文在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSS/E中建立了江蘇省南通 220kV電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模型與暫態(tài)模型，圖 6為南通電網(wǎng)主接線圖。龍?jiān)达L(fēng)電場(chǎng)（401號(hào)節(jié)點(diǎn)）通過110kV線路接入洋口變（12號(hào)節(jié)點(diǎn)）110kV側(cè)，天生港電廠（308號(hào)節(jié)點(diǎn)）為南通電網(wǎng)裝機(jī)容量最大的電廠，擁有發(fā)電機(jī)組四臺(tái)，且其與風(fēng)電場(chǎng)之間的電氣距離較遠(yuǎn)，故將其設(shè)定平衡節(jié)點(diǎn)。發(fā)電廠均作為PV節(jié)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)與一般變電站為PQ節(jié)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如上文所述。在暫態(tài)仿真中，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組模型采用PTI公司發(fā)布的PSSEWIND風(fēng)電計(jì)算包，其參數(shù)選用美國(guó)GE能源集團(tuán)公司的GE1.5SLe風(fēng)電機(jī)組，單機(jī)容量1.5MW，共67臺(tái)，共計(jì)容量100MW。

圖6 南通電網(wǎng)主接線圖Fig.6 Geographical diagram of Nantong grid

3.2 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)有功頻率仿真

假定風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量 100MW，初始運(yùn)行于風(fēng)速 6m/s下，5s時(shí)遭遇陣風(fēng)，波形如圖 7所示，仿真結(jié)果如圖8所示，可見風(fēng)速波動(dòng)引起風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)頻率波動(dòng)。

圖7 陣風(fēng)波形圖Fig.7 Wave of gust wind

圖8 陣風(fēng)下仿真圖Fig.8 Simulation figure under gust wind

3.3 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)無功電壓仿真

風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組在功率因數(shù) 1（風(fēng)電場(chǎng)未補(bǔ)償電容器）、功率因數(shù) 1（風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償電容器）、功率因數(shù)0.98（風(fēng)電場(chǎng)未補(bǔ)償電容器）和額定電壓控制下運(yùn)行時(shí)，在風(fēng)電場(chǎng)不同的輸出有功功率下，并網(wǎng)變電站母線的電壓和風(fēng)電機(jī)組機(jī)端的電壓如圖9所示。

圖9 不同無功補(bǔ)償方式下電壓Fig.9 Voltages in different reactive compensation modes

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到，在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在功率因數(shù)1的情況下，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率超過100MW時(shí)，輸出功率的波動(dòng)會(huì)造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓明顯波動(dòng)，至230MW 時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓因電壓偏差過大不能滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求[17-18]，至250MW時(shí)風(fēng)電機(jī)組將因機(jī)端電壓過低被切除，至270MW時(shí)已接近靜態(tài)穩(wěn)定極限。補(bǔ)償電容器后增加了風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的范圍，但其在風(fēng)電場(chǎng)輸出功率50MW時(shí)電壓已接近電壓偏差極限，繼續(xù)增加電容將引起系統(tǒng)過電壓，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率超過 250MW 則必須增加電容才能使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行，補(bǔ)償固定電容并不能減小電壓偏差和電壓波動(dòng)。若將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)調(diào)節(jié)為0.98后，上述問題得到了較好的解決，在風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率變化的整個(gè)區(qū)間內(nèi)并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓偏差控制在較好的水平，電壓波動(dòng)較之前兩種控制方式也明顯減小。如風(fēng)電機(jī)組采用額定電壓控制則并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差與電壓波動(dòng)極小，表明這種控制方式優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3.4 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真

假定風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量100MW，初始運(yùn)行于風(fēng)速12m/s下，風(fēng)電機(jī)裝有低電壓保護(hù)，其整定值為Ⅰ段 UⅠ=0.2（pu），跳閘時(shí)間 tⅠ=0.09s；Ⅱ段 UⅡ=0.2（pu），跳閘時(shí)間 tⅡ=1.38s；Ⅲ段 UⅢ=0.9（pu），跳閘時(shí)間 tⅢ=3.08s。3s時(shí)位于三官殿變（19號(hào)節(jié)點(diǎn)）至洋口變（12號(hào)節(jié)點(diǎn)）線路發(fā)生接地故障，0.2s后繼保裝置動(dòng)作，切除線路，圖10為仿真結(jié)果圖。在相同的仿真條件下，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)用低電壓穿越技術(shù)（LVRT）時(shí)仿真結(jié)果如圖11所示。

由仿真結(jié)果可以看出，故障發(fā)生后風(fēng)電機(jī)組跳閘退出運(yùn)行，其他機(jī)組均增加出力以平衡風(fēng)電機(jī)組退出導(dǎo)致的系統(tǒng)有功功率不平衡，同時(shí)伴隨有較長(zhǎng)時(shí)間的功率振蕩以及大幅度的電壓下降。低電壓穿越技術(shù)的運(yùn)用使風(fēng)電機(jī)組得以在故障下繼續(xù)運(yùn)行，并在故障后較快恢復(fù)，進(jìn)而縮短了系統(tǒng)各電氣量的調(diào)節(jié)時(shí)間，并減小了故障期間和故障后的電壓跌落幅度。可見，風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)將對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成不利影響，低電壓穿越技術(shù)的運(yùn)用將維持故障下風(fēng)電場(chǎng)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，從而增加了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖10 系統(tǒng)故障仿真圖Fig.10 Simulation figure when system faults

圖11 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)用LVRT后系統(tǒng)故障仿真圖Fig.11 Simulation figure when system faults for wind turbine equipped with LVRT

4 結(jié)論

通過上文的分析和仿真可以得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)電場(chǎng)的接入會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率造成影響，較大的風(fēng)速波動(dòng)加之負(fù)荷的波動(dòng)會(huì)造成系統(tǒng)的頻率波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)容量增大時(shí)，必須提供足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)以及儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展有利于減小旋轉(zhuǎn)備用容量。

（2）適當(dāng)?shù)娘L(fēng)電容量接入有利于維持接入點(diǎn)的電壓水平，但當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率大量向網(wǎng)絡(luò)輸送時(shí)造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓顯著下降，不滿足國(guó)標(biāo)要求并可能引起風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)動(dòng)作。如果將風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)適當(dāng)調(diào)節(jié)，則可以大大改善并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平，風(fēng)電機(jī)組額定電壓控制會(huì)獲得最好的控制效果。

（3）風(fēng)電場(chǎng)在故障下退出運(yùn)行將對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成不利影響，因此研發(fā)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)（LVRT）對(duì)增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后的暫態(tài)穩(wěn)定性具有重要意義。

致謝：本文的研究得到了華東電力試驗(yàn)研究院有限公司和江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司的支持，謹(jǐn)此致謝。

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