劉國祥，武小梅，周 俊，袁天清

(廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣州 510006)

針對風電場并網(wǎng)及脫網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的問題，國內(nèi)外學者開展了廣泛而深入的研究[1-5]，分析了風機脫網(wǎng)的原因和提出了相應的解決策略，但沒有詳細分析風機脫網(wǎng)后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對此，本文結(jié)合PowerWorld Simulator可視化軟件對電網(wǎng)穩(wěn)定性展開了研究，并進行了可視化分析。

1 基于DFIG的變速風電機組模型

雙饋感應發(fā)電機組(doubly-fed induction generator，DFIG)為目前風電機組的主流機型。雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風電機組如圖1所示。

圖1 雙饋異步發(fā)電機型變速恒頻風電機組

近幾年，風力發(fā)電機組的單機容量和風電場建設規(guī)模日益擴大，成為電網(wǎng)電源的重要組成部分。對于含有風電場的電力系統(tǒng)，由于風力的隨機性和間歇性會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定的影響，因此需要建立正確的數(shù)學模型對系統(tǒng)進行仿真分析。

假定定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱且不考慮零軸分量，則兩相任意速ωs旋轉(zhuǎn)dq坐標系下，DFIG的數(shù)學模型應如下表示。

式中:ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的 d、q軸分量;isd、isq、ird、irq分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的 d、q 軸分量;Usd、Usq、Urd、Urq為定子、轉(zhuǎn)子電壓的 d、q 軸分量;Ls=Lss+Lm，Lr=Lrr+Lm，Lm=3Lsr/2，Lsr為定子、轉(zhuǎn)子互感幅值，Lss、Lrr分別為定、轉(zhuǎn)子每相漏感;ωs為坐標系旋轉(zhuǎn)角速度;ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;TL為風力機提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;n為電機的極對數(shù);J為風力機的轉(zhuǎn)動慣量。

如果風電場中每臺發(fā)電機都用全暫態(tài)模型表示，則產(chǎn)生的高階模型在用計算機分析時計算量非常大，不利于計算結(jié)果的分析。因此，在研究整個風電場對電力系統(tǒng)的影響時，不需要考慮每臺風力發(fā)電機組對電網(wǎng)的單獨影響。本文采用一臺DFIG模型來等值一個完整的風電場，研究整個風電場對電網(wǎng)動態(tài)性能的影響。

2 系統(tǒng)仿真模型

PowerWorld Simulator(PWS)是一個面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)大型可視化分析和計算程序。PWS集電力系統(tǒng)潮流計算、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析、短路電流計算、經(jīng)濟調(diào)度EDC/AGC，最優(yōu)潮流OPF、無功優(yōu)化、GIS功能、電壓穩(wěn)定分析 PV/QV、ATC計算、用戶定制模塊等多種龐大復雜功能于一體，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)強大豐富的三維可視化顯示技術(shù)。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發(fā)電機的增加以及聯(lián)絡線功率的交換，一切僅需點擊鼠標即可完成[6-10]。

本文中使用模型的基本原型是WSCC-3機9節(jié)點系統(tǒng)，不考慮風電場內(nèi)部機組之間的影響，因此采用PWS15.0中的DFIG模型來等值一個完整的風電場，風電場模型只包括一個簡化的風力機等值模型(GEWTG)，它包含了詳細的勵磁控制器模型(EXWTGE)和機械調(diào)速系統(tǒng)模型(WNDTGE)，詳細模型見文獻[11]。原模型中的兩臺同步發(fā)電機更替成了DFIG，同步機為平衡機，系統(tǒng)負荷水平為315MW，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 PSW下的WSCC-3機9節(jié)點系統(tǒng)接線圖

2．1 切機對靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

常規(guī)的大容量發(fā)電廠退出運行時，系統(tǒng)由于突然失去大量無功注入可能存在電壓崩潰的危險。雙饋感應電機能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的解耦控制，因此基于DFIG的無功特性取決于雙饋風電機組的控制。一般而言，DFIG構(gòu)成的風電場能夠控制其風電場出口與電網(wǎng)之間不交換無功功率，即整個風電場不發(fā)出也不消耗無功。因此，切除整個風電場后，采用風火打捆方式，即利用火電機組的調(diào)節(jié)能力配合運行，對風電出力進行補償，平抑風電的間歇性波動，保證風電電能質(zhì)量。用等高線可視化展現(xiàn)采用風火打捆方案切風機后各節(jié)點的電壓情況如圖3所示。

圖3 PSW下的切DFIG后各節(jié)點電壓情況

從圖3可知，在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定極限的允許范圍內(nèi)，風電場并網(wǎng)必須配備足夠的無功補償容量。

2．2 風機脫網(wǎng)對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響

以美國西部電網(wǎng)WSCC-3機9節(jié)點系統(tǒng)為例，對風機脫網(wǎng)對系統(tǒng)頻率的影響進行暫態(tài)仿真。

暫態(tài)計算綜合評估系統(tǒng)的功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定情況。在計算結(jié)果滿足以下所有條件時，認為系統(tǒng)是暫態(tài)的:1)故障后，同一交流系統(tǒng)內(nèi)功角差最大的兩臺機組之間的功角差呈現(xiàn)減幅振蕩并漸趨于平穩(wěn);2)故障期間任何時刻系統(tǒng)頻率在47.5～51.5 Hz，故障后恢復至 49.2 ～50.5 Hz。PWS下風機未脫網(wǎng)和脫網(wǎng)系統(tǒng)頻率曲線如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可知，若風機不脫網(wǎng)，系統(tǒng)瞬時頻率最低跌至49.30 Hz，但若風機脫網(wǎng)則最低跌至48.80 Hz，加重了系統(tǒng)頻率的下跌幅度。分析其原因，隨著風電場并網(wǎng)規(guī)模的擴大，當發(fā)生故障時，大規(guī)模風機暫時脫網(wǎng)將造成系統(tǒng)較大的頻率缺額，使系統(tǒng)短時難以恢復至額定頻率。文獻[8]指出，風電在電網(wǎng)中所占發(fā)電比重越大，對系統(tǒng)調(diào)頻困難的負面影響也越大;文獻[9-10]討論了當雙饋感應發(fā)電機控制系統(tǒng)使機組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率完全解耦時，導致電網(wǎng)頻率發(fā)生改變，機組無法對電網(wǎng)頻率提供有功貢獻。當電網(wǎng)中發(fā)生高功率缺額時，電網(wǎng)頻率降低的變化率較高，頻率跌落幅度較大，不利于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

2．3 風機脫網(wǎng)對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

在暫態(tài)穩(wěn)定計算時，假定故障及其恢復過程中風速保持不變，負荷需求也保持不變，重點研究電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，風力發(fā)電機組的響應特性和對電力系統(tǒng)的影響，以及10個周波后風電場從系統(tǒng)中退出，對同步發(fā)電機功角特性的影響。PWS下暫態(tài)故障說明如圖6所示。

圖6 PSW下暫態(tài)故障說明圖

如圖6所示，選取母線8作為三相接地故障發(fā)生的母線，發(fā)生時間為1 s時刻，斷路器在1.1 s動作將故障切除。PWS下機端電壓響應曲線如圖7所示。

圖7 PWS下機端電壓響應曲線

圖7中三相接地故障發(fā)生1 s時刻，各發(fā)電機的機端電壓都有跌落，最低跌落到0.27 p.u.，風電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的關(guān)鍵在于對其補償無功。文獻[12]研究了利用靜止同步補償器(STATCOM)改善基于定轉(zhuǎn)速風電機組和基于轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的繞線式發(fā)電機風電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性;文獻[13]將靜止無功補償器(SVC)和可控硅控制串聯(lián)補償器(TCSC)進行聯(lián)合補償，通過仿真計算驗證了其對異步機風電場與電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用。PSW下風機脫網(wǎng)后同步機功角特性如圖8所示。

圖8 PWS下風機脫網(wǎng)后同步機功角特性

考慮到WSCC-3機9節(jié)點為美國西部電網(wǎng)系統(tǒng)，所以為了驗證其仿真結(jié)果的普遍性，在PSW15.0中搭建典型的IEEE14節(jié)點系統(tǒng)進行仿真驗證，如圖9所示。

將原系統(tǒng)中同步發(fā)電機G2替換為等容量的雙饋風力發(fā)電機，驗證風機脫網(wǎng)對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可知，若風機不脫網(wǎng)，系統(tǒng)瞬時頻率最低跌至49.96 Hz，但若風機脫網(wǎng)則最低跌至49.40 Hz，加重了系統(tǒng)頻率的下跌幅度。

3 結(jié)論

1)采用風火捆綁方案可改善風機脫網(wǎng)后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

2)風電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的關(guān)鍵在于對其補償無功，因此可通過在風電機組機端并聯(lián)電容及加裝靜止同步補償器(STATCOM)、靜止無功補償器(SVC)和可控硅控制串聯(lián)補償器(TCSC)的聯(lián)合補償來改善電壓穩(wěn)定性。

3)當發(fā)生故障時，大規(guī)模風機暫時脫網(wǎng)將造成系統(tǒng)較大的頻率缺額，導致系統(tǒng)短時難以恢復至額定頻率。

4)利用PWS軟件分析風電場脫網(wǎng)后的暫態(tài)電壓、頻率穩(wěn)定問題為調(diào)度人員提供了有效而直觀的檢驗手段。

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