楊志越,李鳳婷
(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)
風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越高,對電網(wǎng)的影響越來越大。為了維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,新的并網(wǎng)規(guī)程對風(fēng)電場并網(wǎng)提出了更為嚴(yán)格的要求,其中低電壓穿越能力就是其中最重要的指標(biāo)之一。目前新安裝的直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機組已經(jīng)很好地解決了這一問題,但在已建成的風(fēng)電場中,還存在大量較早投產(chǎn)的異步風(fēng)力發(fā)電機組,這些機組在生產(chǎn)時并沒有考慮到低電壓穿越這一技術(shù)要求。因此,研究不同異步風(fēng)電機組低電壓穿越能力,了解相關(guān)機組性能并給出改善措施具有非常重要的意義。
本文給出了風(fēng)電機組的模型,建立了風(fēng)電場仿真系統(tǒng)的模型,分別仿真了兩種最典型的異步風(fēng)力發(fā)電機組在故障后采取改善措施前后風(fēng)電機組的低電壓穿越能力,并對各項參數(shù)進(jìn)行了對比分析。
為了比較準(zhǔn)確地描述風(fēng)電的間歇性和隨機性特點,目前普遍將風(fēng)速模型分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機風(fēng)4種,作用在風(fēng)力發(fā)電機上的為4種風(fēng)速的疊加,其風(fēng)速模型為
式中, V風(fēng)速、 V基本風(fēng)、 V陣風(fēng)、 V漸變風(fēng)、 V隨機風(fēng)分別代表疊加風(fēng)的風(fēng)速、基本風(fēng)的風(fēng)速、陣風(fēng)的風(fēng)速、漸變風(fēng)的風(fēng)速和隨機風(fēng)的風(fēng)速。
風(fēng)力機吸收功率為P,其數(shù)學(xué)模型為
式中,P為風(fēng)力機吸收的功率;π為圓周率;ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)力機轉(zhuǎn)換效率系數(shù);β為漿距角;λ為葉尖速比;R為葉片半徑;VW為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速;PN為額定功率;V為作用于葉片的風(fēng)速;VIN為風(fēng)機切入風(fēng)速;VN為風(fēng)機額定風(fēng)速;VOUT為風(fēng)機切出風(fēng)速。
風(fēng)力機組的傳動部分模型為
式中,MM為發(fā)電機軸上的機械轉(zhuǎn)矩;t為時間;TW為風(fēng)力機慣性時間常數(shù);MW為風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)矩。
風(fēng)電場用異步風(fēng)力發(fā)電機采用考慮轉(zhuǎn)子暫態(tài)的三階機電暫態(tài)模型,其數(shù)學(xué)模型如下
異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為
式中,s為發(fā)電機的滑差;t為時間;τJ為發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù);TE為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩;TM是發(fā)電機側(cè)的機械轉(zhuǎn)矩分別為發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓為定子開路時轉(zhuǎn)子回路的時間常數(shù);ID、IQ分別為發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的電流;f0為發(fā)電機頻率;x為發(fā)電機電抗;x′為發(fā)電機暫態(tài)電抗;E′·為發(fā)電機的暫態(tài)電勢。
典型的異步風(fēng)力發(fā)電機組主要包括鼠籠式異步發(fā)電機組和雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組。
SVC主要以晶閘管控制的電抗器 (TCR)、晶閘管投切的電容器 (TSC)以及二者的混合裝置等組成。本文所采用的SVC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
TCR從系統(tǒng)吸收的無功QTCR、TSC向系統(tǒng)注入的無功功率QTSC、SVC裝置輸出的無功功率QSVC計算如下
圖1 SVC的基本結(jié)構(gòu)示意
式中,U為電源電壓的有效值;QTCR、XTSC分別為TCR和TSC的阻抗;XR為TCR中電抗器的阻抗;α為觸發(fā)角;w為電源額定角速度;C為TSC中電容器的電容。
本文算例為風(fēng)電場接入無窮大系統(tǒng),其接線圖如圖2所示。仿真風(fēng)電場分別由6臺1.5 MW的鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機 (出力情況如圖3所示)和6臺1.5 MW的雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機 (出力情況如圖4所示)組成。每臺異步風(fēng)力發(fā)電機出口電壓均為690 V,通過機端變壓器升壓至10 kV,后通過1條10 km長的輸電線路連接到風(fēng)電場的升壓站將電壓升高至220 kV后最終接入無窮大系統(tǒng)。
圖2 并網(wǎng)風(fēng)電場的接線示意
圖3 鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機出力
以圖2所示的風(fēng)電場10 kV輸電線路距風(fēng)電場升壓站5 km處發(fā)生三相短路來模擬。仿真中,風(fēng)電機組風(fēng)速穩(wěn)定在12 m/s,輸電線路在t=25 s時發(fā)生瞬時三相短路,故障發(fā)生0.1 s后被清除。
3.2.1 未采取改善措施
圖4 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機出力
在匯流母線上未加裝SVC。兩種異步風(fēng)電機組在發(fā)生三相短路故障后的仿真曲線見圖5和圖6。
圖5 鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線
圖6 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線
由圖5可知,在發(fā)生嚴(yán)重的三相短路故障后,鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的機端電壓迅速降低,后逐漸穩(wěn)定在0.7 p.u附近;輸出的有功功率也大幅下降直至28 s后有功出力降為零;發(fā)電機吸收的無功功率在故障發(fā)生后逐漸上升,從電網(wǎng)中吸收了大量的無功功率;發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也不斷上升并失去控制。
圖6顯示,在發(fā)生嚴(yán)重的三相短路故障后,雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機的機端電壓在故障消失后迅速恢復(fù)到1 p.u并維持穩(wěn)定;發(fā)電機輸出的有功功率和從電網(wǎng)中吸收的無功功率在故障消失后出現(xiàn)了輕微波動,但隨后則完全恢復(fù)到正常水平;發(fā)電機轉(zhuǎn)速在故障前后只出現(xiàn)了小幅波動,達(dá)到1.227 p.u的峰值后迅速回落,26 s后轉(zhuǎn)速也恢復(fù)到正常水平。
對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn),由于鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機在三相短路故障發(fā)生后從電網(wǎng)吸收了大量的無功功率,導(dǎo)致發(fā)電機端電壓只能恢復(fù)到0.7 p.u的水平,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也不斷上升并失去了控制,直接導(dǎo)致機組出力下滑直至為零;雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)生嚴(yán)重的三相短路故障后機組轉(zhuǎn)速、輸出的有功功率、吸收的無功功率、機端電壓略有波動但運行平穩(wěn)。通過分析以上情況可以得出:鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機組在低電壓穿越能力要弱于雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組。
3.2.2 采取了改善措施
匯流母線上加裝SVC后,兩種異步風(fēng)電機組在發(fā)生三相短路故障后的仿真曲線分別如圖7和圖8所示。
圖7 鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線
由圖7可知,加裝SVC后,故障發(fā)生后鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的機端電壓在小幅波動后迅速恢復(fù)正常,輸出的有功功率、吸收的無功功率和轉(zhuǎn)速在短暫波動后也逐漸恢復(fù)正常。從以上變化曲線反映的情況可知在加裝了SVC后鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越能力得到了明顯提高。
圖8 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越仿真曲線
由圖8可知,在加裝了SVC后雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機各項參數(shù)的變化與未加時相比得到了進(jìn)一步改善:故障后機端電壓波動更小,恢復(fù)有功出力更快,吸收無功曲線的波動也更小,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化也更加平穩(wěn),機組的低電壓穿越能力進(jìn)一步得到提高。
由圖7和圖8可以看出,在加裝了SVC后,兩種異步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力都得到了提高,尤其是鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機組改善最為明顯。由此可得:在匯流母線處加裝先進(jìn)的SVC,可以明顯改善異步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力。
通過仿真對比兩種典型異步風(fēng)力發(fā)電機組故障后各參數(shù)的變化情況可以得出:鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越能力明顯弱于雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機。其主要原因在于鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機故障發(fā)生后在系統(tǒng)電壓恢復(fù)過程中要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率以重建發(fā)電機內(nèi)部磁場,從而導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生非常大的沖擊電流,并在機組與相連的升壓站之間的輸電線路上產(chǎn)生巨大的壓降,從而進(jìn)一步降低了機端的出口電壓。而雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機是在故障消失后重新啟動變換器來控制發(fā)出的有功功率和吸收的無功功率的,因而減小了發(fā)電機磁場重建所產(chǎn)生的沖擊電流及機端的電壓降。另外,通過變換器還可以控制雙饋風(fēng)電機的轉(zhuǎn)速,相比較而言雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越的能力要強得多。為了提高正在并網(wǎng)運行的鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越能力,可以在原有機組不做改動的基礎(chǔ)上在匯流母線處加裝動態(tài)SVC。這樣可以明顯提高鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力,同樣也可以改善雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力。
[1] 王偉,孫明冬,朱曉東.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(23):84-89.
[2] 邢文琦,晁勤.不同風(fēng)電機組的低電壓穿越能力分析[J].華東電力, 2008, 36(12):21-25.
[3] Johan M,Sjoerd W H de H.Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generation during a voltage dip[J].IEEE Trans on Energy Conversion,2005,20(2):435-441.
[4] Mullane A,Lightbody G,Yacamini R.Wind-turbine fault ridethrough enhancement[J].IEEE Trans on Power Systems,2005,20(4):1929-1937.
[5] 閆廣新,李江,張鋒,晁勤.變速雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越功能仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源, 2009, 25(6):49-52.
[6] 顧威,李興源,魏巍.用SVC和STATCOM改善風(fēng)力發(fā)電動態(tài)性的仿真比較[J].電網(wǎng)與清潔能源, 2009, 25(11):70-75.