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        風(fēng)電并網(wǎng)前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真

        2016-06-12 08:43:45曾麗瓊匡洪海張曙云邱雨陽
        新型工業(yè)化 2016年4期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電

        曾麗瓊,匡洪海,張曙云,邱雨陽

        (1.湖南工業(yè)大學(xué),電氣與信息工程學(xué)院,湖南株洲,412000;2.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠,湖南懷化,419600)

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        風(fēng)電并網(wǎng)前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真

        曾麗瓊1,匡洪海1,張曙云1,邱雨陽2

        (1.湖南工業(yè)大學(xué),電氣與信息工程學(xué)院,湖南株洲,412000;2.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠,湖南懷化,419600)

        摘要:由于風(fēng)力發(fā)電出力的不穩(wěn)定性從而導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)將對系統(tǒng)原有的運(yùn)行控制方式產(chǎn)生了一系列的挑戰(zhàn),為了更清晰直觀了解到風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的各方面影響。本文首先對目前主流風(fēng)機(jī)類型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組原理進(jìn)行分析,同時采用直接并網(wǎng)模式構(gòu)建了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)前后系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障的Matlab / Simulink仿真模型,并運(yùn)用FFT分析并網(wǎng)前后三相短路故障特性,觀察風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入系統(tǒng)后比未并入時,系統(tǒng)發(fā)生短路故障所引起系統(tǒng)電壓電流出現(xiàn)短時震蕩更大、諧波畸變率更高,同時電壓出現(xiàn)閃變現(xiàn)象也更加明顯。

        關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī);系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性;諧波畸變率

        0 引言

        風(fēng)力發(fā)電正以它的清潔,環(huán)保逐步占領(lǐng)市場。目前看來,作為綠色能源代表的風(fēng)電已然成為了世界上速度發(fā)展最快,勢頭發(fā)展最好的可再生能源。盡管在全球范圍內(nèi)尋求開發(fā)可再生能源解決世界能源、環(huán)境危機(jī)過程中,風(fēng)電被選為最具潛力開發(fā)項(xiàng)。然而,由于風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中應(yīng)用的比例不斷的攀升,其隨機(jī)性、間歇性、波動性和不可控性對系統(tǒng)的動態(tài)影響變得不容忽視[1-3]。

        隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,我國風(fēng)電發(fā)展迅速,大量新型大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始投入運(yùn)行,風(fēng)電裝機(jī)容量迅猛發(fā)展,在一些地區(qū)風(fēng)電規(guī)劃及其使用的比例已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15%,而涉及到風(fēng)電并網(wǎng)的電壓和無功功率控制,有功調(diào)度,靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性等的問題相對突出[4]。從以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看,可以將風(fēng)力發(fā)電接入系統(tǒng)帶來的不利影響總結(jié)為三點(diǎn),第一點(diǎn)是對電壓穩(wěn)定性的影響,在風(fēng)力發(fā)電過程中電動機(jī)在供給系統(tǒng)有功功率時也需要向系統(tǒng)吸收的大量的無功功率,,同時系統(tǒng)無功功率將會減少,系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性將大大受其影響,特別是隨著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)?;?,風(fēng)力發(fā)電容量居高不下,勢必導(dǎo)致無功功率的增大,這將嚴(yán)重的影響電壓的穩(wěn)定性。第二點(diǎn)是對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響,當(dāng)容量不滿足系統(tǒng)的需求時需要啟用備用容量,這樣風(fēng)電并網(wǎng)又將造成頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象,這多出現(xiàn)在小型的風(fēng)電并網(wǎng)中。第三點(diǎn)是對諧波穩(wěn)定性的影響,而諧波的不穩(wěn)定也在一定程度上影響到電壓的穩(wěn)定性[5-6]。據(jù)悉,隨著風(fēng)力發(fā)電的比例在電網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的日益大規(guī)?;?,對于整個電力系統(tǒng)而言大規(guī)模風(fēng)電輸電線路長距離輸送風(fēng)能的需要已經(jīng)成不可改變的現(xiàn)實(shí)。所以,探究風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性影響是非常有意義的。

        基于對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組短路故障特性分析的嚴(yán)格要求,主要選取三相短路故障進(jìn)行風(fēng)電并入前后的仿真,風(fēng)電機(jī)組選擇的是雙饋異步發(fā)電機(jī)。由Matlab/Sinmulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證,首先在未接入風(fēng)電之前,針對三相短路故障,通過軟件建模,仿真分析在所設(shè)置的故障點(diǎn)的電壓和電流波形,其次是在接入風(fēng)電之后,分析同一故障點(diǎn)的電壓和電流波形。通過圖形比對分析風(fēng)電并網(wǎng)前后故障點(diǎn)電壓和電流的變化,從而探討風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。

        1 DFIG

        目前市場上面的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要發(fā)電機(jī)型有雙饋異步發(fā)電機(jī)(DFIG)驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過全功率變換器將電網(wǎng)與永磁同步發(fā)電機(jī)隔離,電網(wǎng)發(fā)生故障不會對發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生直接的影響;而功率變換器對整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制能力也會更強(qiáng)。這樣,在電網(wǎng)故障期間永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可通過網(wǎng)側(cè)變換器的改進(jìn)控制策略,再配合直流環(huán)節(jié)耗能電阻的投切和緊急變槳距控制,就能非常容易地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)在故障期間的穿越運(yùn)行。不過,由于其體積大、成本過高、運(yùn)輸及吊裝又很困難,永磁材料有退磁的隱患,其整體技術(shù)水平不如雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成熟。再加上我國對稀土永磁材料的限量開發(fā)和保護(hù)政策,這更導(dǎo)致了永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展緩慢。我國新增的大型風(fēng)電機(jī)組中,絕大部分仍為雙饋異步式[7-9]。

        綜上分析,本次風(fēng)電機(jī)組模型選擇的是雙饋異步發(fā)電機(jī),基于Matlab/Sinmulink可所建的雙饋異步發(fā)電機(jī)模型如圖1所示;在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用雙饋感應(yīng)電機(jī)能提高風(fēng)能的利用效率,具有更好的經(jīng)濟(jì)效能,當(dāng)風(fēng)吹動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動,風(fēng)葉帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動,但由于風(fēng)速不是一成不變的,時大時小,風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動速度也時快時慢,一般發(fā)電機(jī)在這種情況下發(fā)出的交流電是頻率和幅值都不恒定的電能,但用雙饋感應(yīng)電機(jī),通??梢栽陲L(fēng)速相對較小的情況下從電網(wǎng)中獲取電,用來確保其轉(zhuǎn)速恒定,特別是在風(fēng)速大的時候可以把多出來的電能儲存在大電容當(dāng)中,保證發(fā)出的電壓是保證恒幅恒頻的。

        基于Matlab/Sinmulink所建立雙饋感應(yīng)電機(jī)的詳細(xì)風(fēng)發(fā)電模型如圖2所示。

        圖3是基于Matlab/Sinmulink仿真平臺而搭建的含有風(fēng)電并網(wǎng)的三相短路故障測試系統(tǒng)模型。在以前傳統(tǒng)的發(fā)力發(fā)電機(jī)組中加入了間歇性相對較高的風(fēng)力電源。該模型選取雙饋感應(yīng)電機(jī),與此同時它在并網(wǎng)方式的選擇上采用直接并網(wǎng)方式,選擇在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快接近同步轉(zhuǎn)速的情況下直接并網(wǎng)。

        圖1 雙饋感應(yīng)電機(jī)模型Fig.1 Doubly-fed induction motor model

        圖2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)詳細(xì)模型Fig.2 Induction double-fed wind generator detailed model

        圖3 含有風(fēng)電并網(wǎng)的三相短路測試系統(tǒng)模型Fig.3 Contains Three-phase short-circuit test system model of wind power grid

        2 Matlab仿真模型搭建

        Matlab作為在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中最為廣泛的仿真軟件,在國際上已經(jīng)被列為科學(xué)與工程計算領(lǐng)域最為突出的應(yīng)用軟件工具之一。它數(shù)值計算能力強(qiáng),圖像處理功能多樣。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電力系統(tǒng)模型可以直接在Matlab上搭建,可以說matlab的仿真準(zhǔn)確又細(xì)致,完全能反映了出很多別的軟件不能反映的細(xì)微變化。同時,大多數(shù)電力系統(tǒng)故障主要由系統(tǒng)的短路引起,短路故障是系統(tǒng)中最為常見的故障,它主要包括三相短路故障,兩相短路故障,兩相接地短路和單相接地短路故障[10-12]。此次風(fēng)電并入前后的仿真選擇在三相短路故障下進(jìn)行,具有指導(dǎo)性,針對性。

        基于Matlab/Sinmulink建立電網(wǎng)接入風(fēng)電前后三相短路故障的模型如圖4所示,電源選取恒定電壓源與風(fēng)電并網(wǎng)源進(jìn)行并聯(lián),通過開關(guān)進(jìn)行切換。理想三相電壓源采用“three-phase source”模型,理想三相電壓源作為電路的供給電源與風(fēng)電并網(wǎng)后的電源對繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響可以進(jìn)行對比。輸電線路故障的仿真平臺是利用的分布參數(shù)輸電線路實(shí)現(xiàn)的。

        圖4 接入風(fēng)電前后三相短路故障的模型Fig.4 Three-phase fault of simulation model before and after

        圖5 短路故障設(shè)置圖Fig.5 Short-circuit fault settings Figure

        如圖4所示,設(shè)置一下三相短路故障發(fā)生器元件(Three-Phase Fault),在其仿真窗口的模型中雙擊該元件,可以看到這個模型參數(shù)對話框設(shè)置如圖5所示,主要設(shè)置內(nèi)容包括:(1)故障相選擇,Phase A Fault(A相故障)、Phase B Fault(B相故障)、Phase C Fault(C相故障),根據(jù)故障類型進(jìn)行選擇,這里選擇三相故障。(2)故障點(diǎn)電阻,該故障點(diǎn)的相關(guān)電阻選項(xiàng)是用來設(shè)置該故障相斷路器的內(nèi)部電阻的。(3)故障相接地,選擇這個故障相接地主要是用來設(shè)置單相短路接地故障,兩相短路接地故障和三相短路接地故障。(4)轉(zhuǎn)換時間,是指在所規(guī)定的時刻立即發(fā)生故障。

        3 仿真算例分析

        通過上面的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模型建立及相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,仿真將選用電壓為120kV的參數(shù)模擬電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關(guān)閉,該電路在此時發(fā)生三相短路故障,可以觀察電壓波形圖和電流波形圖,可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生三相短路故障點(diǎn)A相電流和電壓的變化,在0.04s時設(shè)置三相短路故障發(fā)生器打開,排除該三相短路故障。在無風(fēng)電接入發(fā)生三相短路運(yùn)行和有風(fēng)電接入發(fā)生三相短路運(yùn)行兩種情形對比進(jìn)行研究分析。本文利用 Simulink 軟件平臺來進(jìn)行系統(tǒng)建模,其在故障發(fā)生過程中測得端點(diǎn),示波器V-I的波形及分析如圖 6~圖 9所示。

        3.1情形1 :無風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障運(yùn)行情況

        如圖6所示在沒有風(fēng)電接入的故障點(diǎn)電壓波形和電流波形,以及圖7所示對A相電壓的波形采用FFT分析。設(shè)置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關(guān)閉,該電路在此時發(fā)生三相短路故障,故障點(diǎn)A相電流和電壓的變化如圖所示,在0.04s時設(shè)置三相短路故障發(fā)生器打開,排除該三相短路故障。在此過程中利用FFT分析A相電壓中的諧波畸變率也控制在1.11%。通過示波器觀測其電壓電流波形以及FFT分析可見在無風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)情況下發(fā)生三相短路故障系統(tǒng)的電壓波形和電流波形的故障震蕩小且在系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)可控范圍內(nèi)變化。

        采油廠相關(guān)人員及技術(shù)水平具備了一定條件。參加了多次的相關(guān)技術(shù)與管理培訓(xùn),多年從事開發(fā)儲量技術(shù)管理、從事油氣勘探開發(fā)及靜、動態(tài)管理工作,經(jīng)驗(yàn)豐富。但還沒有從事全面的SEC儲量評估工作。

        圖6 無風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障的電壓和電流波形Fig.6 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

        圖7 A相電壓波形采用FFT分析Fig.7 A phase voltage waveform by using FFT analysis

        3.2情形2:有風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障運(yùn)行情況

        如圖8所示在有風(fēng)電接入的故障點(diǎn)電壓波形和電流波形和圖9所示的對A相電壓的波形采用FFT分析。引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)但在時間設(shè)置方面與情形1一樣設(shè)置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關(guān)閉,該電路在此時發(fā)生三相短路故障,故障點(diǎn)A相電流和電壓的變化如圖所示,在0.04s時設(shè)置三相短路故障發(fā)生器打開,相當(dāng)于排除故障。同樣在此過程中通過示波器測量其波形,通過用FFT分析此情形A相電壓中的諧波畸變率為10.67%,明顯比情形1在未加入風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)生電路時的系統(tǒng)的諧波更多,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行危害更大。

        圖8 有風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障的電壓和電流波形Fig.8 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

        圖9 A相電壓的波形采用FFT分析Fig.9 A phase voltage waveform by using FFT analysis

        4 結(jié)論

        本文選擇在系統(tǒng)中發(fā)生最為嚴(yán)重的三相短路故障在風(fēng)電并網(wǎng)前后的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真研究分析。通過對無風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障運(yùn)行情況和有風(fēng)電接入發(fā)生三相短路故障運(yùn)行情況這兩種情形進(jìn)行研究可知,由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn),雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行必然將對電網(wǎng)產(chǎn)生相對影響。通過建立Matlab/Simulink關(guān)于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的仿真平臺,利用FFT對故障點(diǎn)A相電壓中的諧波畸變率進(jìn)行分析。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下發(fā)生三相短路故障,A相電壓中的諧波畸變率為1.11%。而系統(tǒng)在有風(fēng)電接入時發(fā)生三相短路故障,A相電壓中的諧波畸變率為10.67%。明顯在加入風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)生電路時的系統(tǒng)的諧波更多,風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)的電壓出閃變現(xiàn)象非常明顯,同時電壓電流出現(xiàn)短時故障震蕩大。

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        本文引用格式:曾麗瓊,匡洪海,張曙云,等.風(fēng)電并網(wǎng)前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真[J]. 新型工業(yè)化,2016,6(4):27-33.

        Citation: ZENG Li-qiong, KUANG Hong-hai, ZHANG Shu-yun, et al. Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability [J]. The Journal of New Industrialization,2016,6(4): 27-33.

        Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability

        ZENG Li-qiong1, KUANG Hong-hai1, ZHANG Shu-yun1, QIU Yu-yang2
        (1.College of Electrical and Information, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou 412000, China; 2.Wuqiangxi Hydropower Plant, Wuling Power Co., Ltd. , Hunan Huaihua 419600, China)

        Abstract:Due to the instability of wind power output from the cause of grid connected wind power will be the original of the operation of the system control mode produces a series of challenges, in order to be more clear and intuitive understanding to grid connected wind power for the operation of the system arising from various aspects of the impact. Firstly the current mainstream fan type doubly fed induction generator principle analysis, while using direct grid connected mode construct a threephase short circuit fault of MATLAB / Simulink simulation model of grid connected doubly fed induction generator wind turbine and the system, and the use of the FFT analysis before and after the grid connected three-phase short circuit fault characteristics,to observe the impact of wind power integration on power system dynamic stability. Simulation results show that incorporated into the wind turbine system than not incorporated, short circuit fault caused by system voltage and current short-term shocks greater, harmonic distortion rate higher. At the same time, voltage flicker phenomenon is more obvious.

        Keywords:Wind power generation; Doubly fed induction generator(DFIG; System dynamic stability; Harmonic distortion rate

        DOI:10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.005

        基金項(xiàng)目:湖南省自科基金項(xiàng)目(2015JJ5009);湖南省教育廳科研項(xiàng)目(15C0395);湖南工業(yè)大學(xué)研究生校級創(chuàng)新基金(CX1502)

        作者簡介:曾麗瓊(1991-),女,研究生,研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)技術(shù);匡洪海(1972-),通信作者,女,博士,副教授,研究方向?yàn)樾履茉磁c分布式發(fā)電;張曙云(1992-),男,研究生,研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)并網(wǎng)控制;邱雨陽(1991-),女,本科生,研究方向?yàn)樗l(fā)電科技

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