彭亮

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054）

影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素分析

彭亮

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054）

為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為研究對象，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及其控制系統(tǒng)的模型，并對其進(jìn)行分析，然后建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并對其進(jìn)行計算機(jī)仿真，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電路系統(tǒng)造成的影響。仿真結(jié)果顯示，在沒有附加控制條件的情況下，基于DFIG的風(fēng)電場其穩(wěn)定性較差，容易在系統(tǒng)受到擾動時被切除處電網(wǎng)系統(tǒng)，因此，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使并網(wǎng)系統(tǒng)能夠在受到擾動后很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，必須對其增加附加控制條件。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)；系統(tǒng)穩(wěn)定性；雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；計算機(jī)仿真

風(fēng)能作為可再生能源的一種，在實際應(yīng)用中不會形成大量的噪音或氣體，其原動力源自風(fēng)，環(huán)保度高且“取之不竭，用之不盡”。以風(fēng)能為原動力的風(fēng)能發(fā)電機(jī)具備獨一無二的優(yōu)勢，即風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)速率快，經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著，屬于分散裝置，裝機(jī)自主靈活度高[1-2]。在國內(nèi)電力事業(yè)高速發(fā)展、能源緊缺的背景下，我國為進(jìn)一步改善電源結(jié)構(gòu)、滿足節(jié)能減排需求，將加大清潔能源的發(fā)電效率，把風(fēng)力發(fā)電歸入能源發(fā)展戰(zhàn)略中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)作為新能源而成為研究重點[3-4]。但因其存在不平衡、隨機(jī)特征，風(fēng)場輸出功率無法保持靜態(tài)化，導(dǎo)致并網(wǎng)不能正常運作，對風(fēng)電場規(guī)模的開拓造成負(fù)面影響。為保證風(fēng)力發(fā)電的高效應(yīng)用，推動現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展，避免電網(wǎng)失去平衡，如何保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性是當(dāng)前迫切需要處理的問題[5-7]。

目前風(fēng)電與電網(wǎng)相接主要是通過大功率風(fēng)電場來實現(xiàn)的，因而其大多直接與輸變電壓器相連接，這將會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來很大的影響，我們必須要研究風(fēng)電廠并網(wǎng)對整個電力系統(tǒng)的動態(tài)特性所造成的影響[8]。通常風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)主要使用能夠直接用于并網(wǎng)的恒速感應(yīng)電動機(jī)（FSIG），或者經(jīng)過電力電子變換器變換后能夠并網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）。文中以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為研究對象，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及其控制系統(tǒng)的模型，并對其進(jìn)行分析，然后建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并對其進(jìn)行計算機(jī)仿真，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電路系統(tǒng)造成的影響。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，首先要基于電力系統(tǒng)仿真計算程序來構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組模型。其系統(tǒng)穩(wěn)定性著重分析風(fēng)電機(jī)組內(nèi)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運作、電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電磁作用，風(fēng)電機(jī)組架構(gòu)則借助風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪空氣動力學(xué)與風(fēng)電機(jī)組的柔性軸系模型來闡述。

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)雙饋建模，可選擇槳距角調(diào)節(jié)合理利用風(fēng)能，降低風(fēng)電機(jī)組機(jī)械構(gòu)件的受力，在風(fēng)速超出限定風(fēng)速時需控制風(fēng)力機(jī)槳距角，完成功率輸出。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路，調(diào)成電網(wǎng)測變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，基于IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷來控制雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流[9-11]。通過雙饋型風(fēng)電機(jī)組能完成對無功功率與有功功率的解耦控制，進(jìn)而實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體控制。

如圖1所示，風(fēng)力系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)，變速齒輪箱，機(jī)側(cè)變頻器，網(wǎng)側(cè)變頻器，電網(wǎng)等組成。本文中風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其定子繞組直接與電網(wǎng)相連，并經(jīng)由兩個相背對的PWM變流器將電流接入電網(wǎng)。對轉(zhuǎn)子繞組通入變頻電流，使其產(chǎn)生變化的磁場，從而在定子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成電磁場，使轉(zhuǎn)子在定子產(chǎn)生的磁場中受磁場力而轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變速恒頻轉(zhuǎn)動[12]?？赏ㄟ^對轉(zhuǎn)子通入不同頻率的電流來完成無功功率和有功功率的解耦控制，而風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率則是通過控制槳距角來實現(xiàn)[13]。

圖1 風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功能就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)將得到的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。在風(fēng)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)變過程中，其主要是通過風(fēng)吹動風(fēng)機(jī)的葉片使其帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能。風(fēng)速與空氣動力的功率關(guān)系如式（1）所示：

空氣動力轉(zhuǎn)矩如式（2）所示：

其中ρ為空氣密度，R為風(fēng)機(jī)葉片半徑，β為槳距角，wwr為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，vweq為等效風(fēng)速，λ為葉尖速比，其等于葉片半徑與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速乘積與等效風(fēng)速之比，Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，其由葉尖速比和槳距角決定，關(guān)系式如式（3）所示：

其中 λi由式（4）決定。

1.2 軸系模型

并網(wǎng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)械傳動模塊承擔(dān)著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以及將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿慕巧?，?dāng)風(fēng)力吹動風(fēng)機(jī)葉片時帶動低速傳動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)過變速齒輪箱帶動高速傳動軸的轉(zhuǎn)動，而高速傳動軸與發(fā)電機(jī)相連，從而帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電，完成從風(fēng)能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)換[14-15]。為了方便模型的建立，本文將傳統(tǒng)模塊中的傳動軸，變速齒輪箱，發(fā)電機(jī)等部分等效為一個個質(zhì)點，通過一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行描述，如式（5）所示：

其中Pm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功率，Pw為風(fēng)機(jī)機(jī)械功率，Jd為機(jī)械傳動慣性時間常數(shù)。

1.3 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有兩種控制方式，一種是通過控制槳距角來實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的控制，一種是通過變流器來改變通入風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的電流從而控制感應(yīng)電動勢來達(dá)到控制發(fā)電機(jī)組的控制。

1）槳距角控制系統(tǒng)

當(dāng)實際風(fēng)速等于額定風(fēng)速時，主要通過控制槳距角來控制發(fā)電機(jī)組，其系統(tǒng)框架如圖2所示。由于自然風(fēng)具有不穩(wěn)定性，風(fēng)速以及風(fēng)向的改變將影響風(fēng)機(jī)來捕獲風(fēng)能，此時可通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風(fēng)機(jī)葉片與風(fēng)向的相對角度，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來捕獲風(fēng)能[16-17]。

圖2 槳距角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

而在控制槳距角的過程中，可以使用兩種調(diào)節(jié)方式，一種是根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)中反饋回來的調(diào)度信號來對槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，二是通過將風(fēng)機(jī)的實際輸出有功功率PEmeas與風(fēng)機(jī)的最大輸出有功功率PEref相減得到差值并代入到PI控制器中以獲取參考值βREF，從而將偏差值輸入系統(tǒng)中來控制槳距角。

2）雙饋電動機(jī)變流器控制器

當(dāng)實際風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，主要通過變流器來改變通入風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的電流從而控制感應(yīng)電動勢來達(dá)到控制發(fā)電機(jī)組的控制[18-19]。

文中所采用的發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)如圖3所示，其中變流器控制系統(tǒng)包括機(jī)側(cè)變流器以及網(wǎng)測變流器控制。

圖3 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）側(cè)變流器控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用側(cè)變流器對通過轉(zhuǎn)子的電流進(jìn)行改變從而使感生電動勢發(fā)生變化，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)有功功率以及無功功率的解耦控制。目前來說，較為常見的控制方法主要是以定子磁鏈定向為基礎(chǔ)的的矢量控制法，該方法將定子合成磁鏈定義為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，同時通過建立發(fā)電機(jī)三階模型，獲得發(fā)電機(jī)組矢量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖

2）網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制的功能是能夠在風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間進(jìn)行無功功率以及有功功率解耦。對于有功功率的調(diào)節(jié)，可以通過改變有功電流的分量大小，保持直流母線的電壓處于恒定值狀態(tài)。對于無功功率的調(diào)節(jié)，可以通過改變無功電流風(fēng)量大小來實現(xiàn)。

2 風(fēng)電系統(tǒng)仿真

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性是指風(fēng)電系統(tǒng)在受到外部擾動后系統(tǒng)各母線的電壓始終能夠處于系統(tǒng)誤差允許的范圍內(nèi)。本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)在受到擾動時的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究來探究不同因素對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2.1 仿真系統(tǒng)

為了對文中所建立的槳距角控制模型的合理性，本文建立了并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)電場采用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，運行時向并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功功率，并從電網(wǎng)消耗無功功率。

文中用于試驗的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)其風(fēng)電系統(tǒng)由6臺型號相同的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，每臺風(fēng)機(jī)的額定功率高達(dá)1.5 MW，將所有風(fēng)機(jī)用一個仿真模塊來等效表示，通過Matlab軟件進(jìn)行仿真模型的搭建。如圖5所示，風(fēng)電場的輸出電壓為690V，經(jīng)過升壓變壓器變壓后電壓增大至25kV，再通過40km的架空線后再次經(jīng)過升壓變壓器將電壓增大至120kV，最后連接到電網(wǎng)。

圖5 仿真系統(tǒng)

2.2 并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性仿真分析

為了研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，分別對120kV處施加電壓降落以及25kV處將單相以及兩相接地模擬故障發(fā)生，從而進(jìn)行仿真分析。

1）120kV側(cè)發(fā)生電壓降落

假設(shè)在15秒處120kV側(cè)電壓下降了0.2p.u.，通過仿真得到仿真結(jié)果，如圖6所示。圖6（a）從上往下分別為電壓圖，風(fēng)速圖；圖6（b）從上往下分別為風(fēng)電場輸出電壓，風(fēng)電場輸出有功功率P以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 120kV側(cè)發(fā)生電壓降落波形圖

由圖6（a）可以看出，當(dāng)在15秒時電壓下降了0.2p.u.，但由于由槳距角以及變流器的相互協(xié)調(diào)控制，輸出電壓基本能保存穩(wěn)定，而輸出有功功率在短暫下降后又能重新恢復(fù)到原來的大小。而在48.5秒左右，此時實際風(fēng)速超過了額定風(fēng)度，系統(tǒng)啟動過速度保護(hù)將風(fēng)電系統(tǒng)切除，因而在圖6（b）中可以看到在48.5秒以后風(fēng)電場的輸出有功功率為0，此時風(fēng)電場被系統(tǒng)切除。

2）25kV側(cè)發(fā)生單相接地故障

風(fēng)電場輸出電壓在經(jīng)過升壓變壓器升壓后從690V增加至25kV。假設(shè)當(dāng)時間處于15秒時變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其A相單相接地，并且在0.1s內(nèi)又恢復(fù)正常，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7（a）從上至下分別為25kV以及690V側(cè)ABC三相電壓，7（b）從上至下分別為風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸出有功功率。

圖7 25kV處A相單相接地故障波形圖

由圖可以看出，當(dāng)變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其A相單相接地時，故障處A相電壓下降為0，而B，C兩相變?yōu)?.2p.u.，而風(fēng)電場輸出口的電壓也受到影響，其下降為0.55p.u.。與此同時，風(fēng)電場輸出有功功率也受到了影響，但系統(tǒng)靠自身調(diào)節(jié)馬上就恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出有功功率也馬上恢復(fù)到原來的大小。而在48.5秒左右，此時實際風(fēng)速超過了額定風(fēng)度，系統(tǒng)啟動過速度保護(hù)將風(fēng)電系統(tǒng)切除，因而在圖7（b）中可以看到在48.5秒以后風(fēng)電場的輸出有功功率為0，此時風(fēng)電場被系統(tǒng)切除。

3）25kV側(cè)發(fā)生兩相接地故障

假設(shè)當(dāng)時間處于15秒時變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其AB相單相接地，電壓在0.1秒后恢復(fù)正常，對這一情況進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖8所示。其中圖8（a）從上至下分別為25kV以及690V側(cè)ABC三相電壓，8（b）從上至下分別為風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸出有功功率。

由圖 8（a）可得，當(dāng)變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其AB相單相接地時，故障處AB兩相電壓下降為0，而C項電壓為1.4p.u.，而風(fēng)電場輸出口的電壓也受到影響，其下降為0.1p.u.。從圖8（b）可以看到，在15.11秒時，由于放電機(jī)轉(zhuǎn)速過小，輸出電壓過低而啟動低壓保護(hù)措施，此時風(fēng)電場的輸出有功功率為0，風(fēng)電場被系統(tǒng)切除。

圖8 25kV處AB相單相接地故障波形圖

3 結(jié)束語

為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為研究對象，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及其控制系統(tǒng)的模型，并對其進(jìn)行分析，然后建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并對其進(jìn)行計算機(jī)仿真，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電路系統(tǒng)造成的影響。仿真結(jié)果顯示，在沒有附加控制條件的情況下，基于DFIG的風(fēng)電場其穩(wěn)定性較差，容易在系統(tǒng)受到擾動時被切除處電網(wǎng)系統(tǒng)，因此，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使并網(wǎng)系統(tǒng)能夠在受到擾動后很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，必須對其增加附加控制條件。

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Analysis of factors to affect stability of grid connected wind turbines system

PENG Liang
（Electrical and Controlling Engineering Academy，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

In order to improve the stability of grid connected wind power generation system，this paper studies the factors that affect the stability of power system.Firstly，the model of the doubly fed induction generator and its control system is established and analyzed.Then，the simulation model of the gridconnected system of the wind turbine is established and the computer simulation is carried out to study the influences on the wind turbine generating system and the circuit system.The simulation results show that the DFIG-based wind farm is less stable and has no additional control conditions.It is easy to be cut off at the system when the system is disturbed.Therefore，in order to ensure the stability of the wind turbine system，So that the grid-connected system can quickly become stable after being disturbed and must add additional control conditions to it.

wind turbine grid-connected； system stability； doubly fed induction generator； computer simulation

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0085-05

2016-12-29稿件編號：201612219

彭 亮（1990—），男，陜西漢中人，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)自動化綜合控制。