杜旭浩，馬天祥，魏力強(qiáng)，孫翠英

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊　050021)

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基于Dig SILENT的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定分析與比較

杜旭浩，馬天祥，魏力強(qiáng)，孫翠英

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊050021)

摘要：隨著大型風(fēng)電場(chǎng)的不斷投入，其并網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，也受到人們的關(guān)注?；贒ig SILENT仿真平臺(tái)，分別建立了含有雙饋和永磁同步直驅(qū)兩種不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電網(wǎng)仿真計(jì)算模型。結(jié)合某風(fēng)電場(chǎng)的接入實(shí)例，模擬了A市電網(wǎng)發(fā)生N-1三相短路故障時(shí)，兩種不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定情況，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析比較，給出了參考建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)；暫態(tài)穩(wěn)定；N-1；雙饋；永磁直驅(qū)

Abstract：With the continuous integration of large-scale wind farms with the grid, the transient stability problem caused by grid connection is attracted more and more attention. Based on Dig SILENT, the simulation model of power grid is established containing two kinds of different wind power generation units, that is, double-fed and permanent magnet direct drive. According to an integration example of a wind farm, the transient stability of these two kinds of wind power generation units is simulated during N-1 three-phase short-circuit fault. The simulation results are analyzed and compared, and the reference suggestions are given.

Key words：grid-connected wind farm; transient stability;N-1; double-fed; permanent magnet direct drive

0引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐漸走向規(guī)?；?，然而大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響，尤其是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題[1]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，大容量的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)盡量避免簡(jiǎn)單的切機(jī)措施，采取提高故障穿越能力等措施，為系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定提供支撐[2]。

為了考察電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)期間，風(fēng)電場(chǎng)保持并網(wǎng)運(yùn)行的能力，基于Dig SILENT仿真平臺(tái)，建立了含有風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)仿真計(jì)算模型。模擬了A市電網(wǎng)發(fā)生N-1三相短路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC點(diǎn)的母線電壓以及有功、無(wú)功出力的變化情況，并對(duì)風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋和永磁同步直驅(qū)兩種不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)時(shí)的情況，進(jìn)行了分析比較，給出了恰當(dāng)?shù)慕ㄗh，對(duì)今后的風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定研究及其他同類(lèi)型機(jī)組的通流試驗(yàn)研究有一定實(shí)際意義。

1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

基于定子通流及轉(zhuǎn)子通流試驗(yàn)的原理及方法，選取Dig SILENT仿真平臺(tái)，分別建立雙饋和永磁同步直驅(qū)兩種風(fēng)電機(jī)組模型，并與電網(wǎng)相連接，形成含有風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)計(jì)算模型。

1.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋風(fēng)機(jī)的通用結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)機(jī)采用變槳距控制，可以追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率；定子繞組并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變頻器并網(wǎng)，可對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行控制[3]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在超同步速度時(shí)，功率從轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)；而當(dāng)運(yùn)行在次同步速度時(shí)，功率從電網(wǎng)流向轉(zhuǎn)子[4]。

圖1　雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

以Dig SILENT軟件建模，由于該軟件中定子磁鏈可直接從電機(jī)模型輸出結(jié)果中獲取，因此可直接取用定子磁鏈?zhǔn)噶?。需將轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流idr、iqr轉(zhuǎn)換到定子磁鏈坐標(biāo)系上。首先將轉(zhuǎn)子電流idr、iqr轉(zhuǎn)換至兩相同步靜止坐標(biāo)系(x-y坐標(biāo)系)下：

(1)

然后從兩相同步靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)至兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(m-t坐標(biāo)系)，即定子磁鏈坐標(biāo)系下：

(2)

式中:θs為磁鏈同步角，它是從定子軸x軸到磁鏈軸m軸的夾角;θr為轉(zhuǎn)子位置角，它是轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系d軸與定子x軸之間的夾角。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系m軸固定在磁鏈?zhǔn)噶可?，t軸超前m軸90°，該坐標(biāo)系和磁鏈?zhǔn)噶恳黄鹪诳臻g以同步角速度旋轉(zhuǎn)。

同時(shí)采用電流閉環(huán)控制抑制交叉耦合項(xiàng)的干擾，由此可得雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)矢量控制的模型，如圖2所示。

圖2　雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)控制模型

電網(wǎng)側(cè)變頻器經(jīng)濾波電感后并網(wǎng)，以網(wǎng)側(cè)電壓Vs作為d軸，實(shí)現(xiàn)dq的解耦控制，通過(guò)控制注入電網(wǎng)側(cè)有功電流id和無(wú)功電流iq，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，控制模型如圖3所示。

圖3　雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變頻器控制模型

1.2永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)兩個(gè)全功率變頻器與電網(wǎng)相連[5]。變頻器可將頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能，風(fēng)機(jī)原動(dòng)側(cè)也采用最大風(fēng)能跟蹤，其基本原理同雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相同[6]。

圖4　永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器，以發(fā)電機(jī)母線處電壓作為d軸作坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)dq分量的解耦控制。通過(guò)矢量控制的方法，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，控制目標(biāo)為有功功率按照最優(yōu)功率曲線變化，同時(shí)保持與發(fā)電機(jī)無(wú)功交換為零，如圖5所示。

圖5　永磁風(fēng)機(jī)電機(jī)側(cè)變頻器控制模型

電網(wǎng)側(cè)變頻器，以并網(wǎng)側(cè)母線電壓作為d軸實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的解耦，以控制直流電壓在設(shè)定值為目標(biāo)，同時(shí)保持變頻器與電網(wǎng)交換的無(wú)功功率按指定的功率因數(shù)變化，也就是恒功率因數(shù)控制，如圖6所示。

圖6　永磁風(fēng)機(jī)電網(wǎng)側(cè)變頻器控制模型

2仿真分析

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)機(jī)通過(guò)集電線路將功率匯集至風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線處，35 kV母線經(jīng)過(guò)升壓變壓器接至系統(tǒng)220 kV側(cè)母線。對(duì)A市電網(wǎng)的部分線路進(jìn)行故障仿真計(jì)算，校驗(yàn)N-1條件下接入大型風(fēng)電場(chǎng)后的該市電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定情況，分析大型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)該市電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響；并對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組和永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較。

仿真計(jì)算流程如下：根據(jù)A市電網(wǎng)2014年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照規(guī)劃容量48 MW接入風(fēng)電場(chǎng)，分析區(qū)域內(nèi)部某220 kV線路發(fā)生三相短路故障下，風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)母線電壓以及有功、無(wú)功出力變化情況。

2.1雙饋風(fēng)機(jī)接入的暫態(tài)仿真分析

軟件中設(shè)置單臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)容量為2 MW，每8臺(tái)為1組，共3組通過(guò)集電線路將功率匯集至風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線處，其保護(hù)設(shè)定如表1所示。

表1　雙饋風(fēng)電機(jī)組保護(hù)設(shè)置

在PCC點(diǎn)鄰近的某220 kV單回線路50%處設(shè)置發(fā)生三相短路故障，故障由第0.1 s發(fā)生，故障發(fā)生后0.1 s后單回線路斷開(kāi)。PCC點(diǎn)母線電壓以及有功、無(wú)功出力變化情況輸出曲線如圖7～圖9所示。

圖7　雙饋風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)母線電壓

圖8　雙饋風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)有功出力變化

在故障發(fā)生后，PCC點(diǎn)母線電壓有所降低，隨著故障線路的切除，母線電壓能夠快速恢復(fù)至故障前水平，系統(tǒng)保持穩(wěn)定。但是由于故障距離風(fēng)電場(chǎng)較近，風(fēng)電場(chǎng)有功和無(wú)功出力波動(dòng)較大。故障期間，沒(méi)有出現(xiàn)暫態(tài)電壓失穩(wěn)情況，風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)行切機(jī)保護(hù)動(dòng)作。

圖9　雙饋風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功出力變化

2.2永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入的暫態(tài)仿真分析

軟件中設(shè)置單臺(tái)永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)容量也為2 MW，每8臺(tái)為1組，共3組通過(guò)集電線路將功率匯集至風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線處，其保護(hù)設(shè)定如表2所示。

表2　永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)組保護(hù)設(shè)置

故障設(shè)置同雙饋風(fēng)機(jī)，PCC點(diǎn)母線電壓以及有功、無(wú)功出力變化情況輸出曲線如圖10～圖12所示。

圖10　永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)母線電壓

圖11　永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)有功出力變化

在故障發(fā)生后，PCC點(diǎn)母線電壓有所降低，隨著故障線路的切除，母線電壓能夠快速恢復(fù)至故障前水平，系統(tǒng)保持穩(wěn)定。由于風(fēng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作風(fēng)電場(chǎng)被切除，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)有功出力與無(wú)功出力均為0。

圖12　永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功出力變化

3結(jié)論

基于定子通流及轉(zhuǎn)子通流試驗(yàn)的原理及方法，選取Dig SILENT仿真平臺(tái)，建立了含有風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)仿真計(jì)算模型。分別考慮接入雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行了N-1故障仿真。從雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的仿真分析對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在A市內(nèi)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)均未動(dòng)作，能夠較好地為電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定提供支撐；而永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作切機(jī)，相比之下，在A市的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性要好于永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：因此綜合考慮，宜采用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)，這對(duì)今后的風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定研究及其他同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組的通流試驗(yàn)研究具有一定實(shí)際意義。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0081-03

作者簡(jiǎn)介：

杜旭浩(1986)，碩士研究生、工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量及微網(wǎng)。

(收稿日期：2015-11-08)