羅 慶，晁 勤，袁鐵江，羅建春

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

目前，越來越多的國(guó)家已經(jīng)把能源作為一個(gè)國(guó)家的重要戰(zhàn)略。其中，中國(guó)是世界風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量最大的國(guó)家之一，各地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量日漸增大。風(fēng)速的不可預(yù)測(cè)性和間斷性，導(dǎo)致其有功出力隨機(jī)變化，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定。對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，將對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成較大沖擊和影響，威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)瓦解。

目前，風(fēng)速突變時(shí)對(duì)接入電網(wǎng)相關(guān)影響的研究不多，文獻(xiàn)［1］中主要分析了在風(fēng)速突變時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響;文獻(xiàn)［2］提出了采用小干擾穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間相互影響進(jìn)行分析;文獻(xiàn)［3］研究實(shí)際風(fēng)電功率波動(dòng)的時(shí)空分布特性及其內(nèi)在趨勢(shì)性特征，評(píng)估風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響。

單一風(fēng)機(jī)類型在風(fēng)速突變下對(duì)電網(wǎng)的影響的文獻(xiàn)較多，但對(duì)不同類型風(fēng)機(jī)的對(duì)比分析的相關(guān)研究較少。針對(duì)3種接入電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)在風(fēng)速突變時(shí)電壓和風(fēng)能利用率進(jìn)行了分析，得到了在風(fēng)速突變情況下，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)影響最小，其風(fēng)能利用率也是最高的。

1 風(fēng)速模型與風(fēng)能轉(zhuǎn)換模型

1.1 風(fēng)速模型

風(fēng)速一般分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。這里采用陣風(fēng)模型，如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)陣風(fēng)模型圖

陣風(fēng)數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

式中，VB為基本風(fēng)風(fēng)速;Vcos為陣風(fēng)風(fēng)速;tG為陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間;tG1為陣風(fēng)作用時(shí)間。式中，Vmax為陣風(fēng)最大值。

1.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換模型

風(fēng)的動(dòng)能與風(fēng)速平方成正比。風(fēng)力發(fā)電是基于風(fēng)輪在流動(dòng)的空氣中，獲得阻礙流動(dòng)空氣流速的部分動(dòng)能。風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率可以用式(2)、式(3)表示。

式中，P 為風(fēng)輪輸出功率;Cp為風(fēng)輪的功率系數(shù);A為風(fēng)輪掃掠面積;ρ 為空氣密度;V 為風(fēng)速;R 為風(fēng)輪半徑。風(fēng)輪可獲得的最大風(fēng)效率，即貝茲極限下Cp=59%［4］。

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)獲得最佳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式如式(4)。

2 不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

目前，國(guó)內(nèi)已運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)大部分機(jī)組是異步風(fēng)電發(fā)電機(jī)，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜;雙饋式異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用的是交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù);直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于變漿寬帶調(diào)速同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用永磁同步發(fā)電機(jī)、無增速齒輪設(shè)計(jì)。3種風(fēng)力機(jī)組接入電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖2 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 雙饋式異步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 仿真系統(tǒng)模型與結(jié)果分析

3.1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于上述3種風(fēng)電機(jī)組模型分別搭建了同種機(jī)型等值風(fēng)電場(chǎng)接入同一電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)，其系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型

仿真過程中的風(fēng)速采用陣風(fēng)模型，其基本風(fēng)為7 m/s，風(fēng)速?gòu)? s 開始經(jīng)過2.5 s 突增到17 m/s，再經(jīng)過2.5 s 從17 m/s 下降至7 m/s。異步、雙饋和直驅(qū)等值風(fēng)電場(chǎng)容量均取10 MW，分別對(duì)3種風(fēng)電場(chǎng)PCC 點(diǎn)的電壓、電流、有功和無功波動(dòng)曲線進(jìn)行仿真和分析。

3.2 電壓仿真結(jié)果分析

風(fēng)速突變時(shí)，3種風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的PCC 點(diǎn)母線電壓的波形，分別如圖6、圖7 和圖8 所示。

圖6 異步風(fēng)電場(chǎng)PCC 母線電壓

圖7 雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)段電壓

圖8 直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)PCC 母線電壓

對(duì)圖6、圖7 和圖8 分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)有時(shí)間延遲。在相同突變風(fēng)速作用下，3種風(fēng)電場(chǎng)PCC 點(diǎn)母線電壓波動(dòng)值如表1 所示。

表1 風(fēng)速突變時(shí)段風(fēng)機(jī)電壓波動(dòng)值

由表1 可知，在風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)，異步風(fēng)電場(chǎng)PCC母線電壓跌落較明顯，最后跌至風(fēng)力機(jī)低電壓保護(hù)動(dòng)作值，將該等值風(fēng)電場(chǎng)切除。雙饋和直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)PCC 母線電壓波動(dòng)較平穩(wěn)，其中雙饋風(fēng)電場(chǎng)PCC 母線電壓呈上升趨勢(shì)，電壓波動(dòng)范圍為0.001UN;直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)PCC 母線電壓呈下降趨勢(shì)，電壓波動(dòng)范圍為0.0075UN。

3.3 電流波動(dòng)分析

風(fēng)速突變時(shí)，3種風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的PCC 點(diǎn)母線電流的波形，分別如圖9、圖10 和圖11 所示。

圖9 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流波動(dòng)

圖10 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流圖

圖11 直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流圖

對(duì)圖9、圖10 和圖11 分析可知，等值異步風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的時(shí)間延遲較短為1 s，基本與風(fēng)速變化一致;等值雙饋和直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)延遲時(shí)間較長(zhǎng)均為4 s。電流隨著風(fēng)速增大而增大，但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速值時(shí)，電流均沒有達(dá)到額定值，其中直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電流較大，對(duì)風(fēng)能利用率相對(duì)較高。

3.4 有功功率波動(dòng)分析

風(fēng)速突變時(shí)，3種風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的PCC 點(diǎn)母線有功功率的波形，分別如圖12、圖13 和圖14 所示。

圖12 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率圖

圖13 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率圖

圖14 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率圖

對(duì)圖12、圖13、圖14 分析可知，不同等值風(fēng)電場(chǎng)對(duì)同一風(fēng)速突變時(shí)，都有隨風(fēng)速變化而變化的趨勢(shì)，直驅(qū)的風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能利用率較高。異步風(fēng)機(jī)隨風(fēng)速增大而有功功率降低，最后在5.35 s 時(shí)刻，繼電保護(hù)動(dòng)作將風(fēng)電場(chǎng)解列。

3.5 無功功率波動(dòng)分析

風(fēng)速突變時(shí)，3種風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的PCC 點(diǎn)母線無功功率圖形，分別如圖15、圖16 和圖17 所示。

圖15 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率

從圖15、圖16 和圖17 可以看出在風(fēng)速突變時(shí)，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)發(fā)出無功功率。在風(fēng)速突變時(shí)刻，對(duì)應(yīng)雙饋式風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)均有向電網(wǎng)吸無功的趨勢(shì)，且直驅(qū)風(fēng)機(jī)較明顯。

圖16 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率

圖17 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率

從仿真結(jié)果圖形中，對(duì)比可知在引入同一突變風(fēng)速，對(duì)同一接入電網(wǎng)時(shí)，電壓方面，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電壓波動(dòng)較小，對(duì)電壓影響較小。電流方面，雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流均隨風(fēng)速增大而增加，異步風(fēng)電機(jī)組在保護(hù)動(dòng)作前也是電流隨風(fēng)速增大而增大。相較直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能利用率較高。

針對(duì)的是等值風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)的容量相對(duì)較小，在實(shí)際中，風(fēng)電場(chǎng)的容量將是數(shù)十倍、數(shù)百倍的容量。當(dāng)在此類的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速突變時(shí)，將形成的效果和影響會(huì)更大。

4 結(jié)論

(1)由文中的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，基于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速年突變率和風(fēng)電場(chǎng)對(duì)接入電網(wǎng)的影響及對(duì)自身的安全，在建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)中，要考慮當(dāng)風(fēng)速年突變率較高時(shí)，基于電壓、電流、有功、無功波動(dòng)和風(fēng)能利用率考慮時(shí)，應(yīng)選直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，其電壓在風(fēng)速突變時(shí)較緩和，對(duì)此時(shí)的風(fēng)能利用率較高。

(2)異步風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速突變(風(fēng)速突增)時(shí)，電壓下降，當(dāng)風(fēng)速突變到某一值時(shí)，由于電壓低于風(fēng)力機(jī)低電壓保護(hù)整定值，繼電器動(dòng)作，切除該風(fēng)電場(chǎng)，這將對(duì)電網(wǎng)安全造成很大的影響。例如2011年4月甘肅酒泉某風(fēng)電場(chǎng)由于低電壓穿越能力不行，風(fēng)電場(chǎng)解列，對(duì)西北電網(wǎng)造成巨大影響。風(fēng)電場(chǎng)的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)注重在風(fēng)速突變時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的電壓跌落問題。

［1］范高峰，于德龍，任普春，等.變動(dòng)風(fēng)速作用下風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(4):231－233.

［2］湯宏，吳俊玲，周雙喜.包含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析建模和仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(1):38－41.

［3］崔楊，穆鋼，劉玉，等.風(fēng)電功率波動(dòng)的時(shí)空分布特性［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011(2):110－114.

［4］葉杭治.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)(第一版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:90－94，183－187.

［5］張志英，趙萍，李銀鳳，等.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)(第二版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:65－73，290－299.

［6］吳學(xué)光，張學(xué)成，印永華，等.異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(6):68－72.