王琴南, 侯明哲

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022； 2. 深圳供電局有限公司，深圳 518000)

風火打捆外送中直驅(qū)風電機組對火電機組次同步振蕩的影響分析

王琴南1, 侯明哲2

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022； 2. 深圳供電局有限公司，深圳 518000)

一些地區(qū)直驅(qū)風機風電場的高壓側出現(xiàn)持續(xù)的次同步振蕩現(xiàn)象，引起臨近火電機組的扭振保護動作，導致解裂事故的發(fā)生。為了對這種問題進行深入研究，本文建立了直驅(qū)風機風電場和火電機組打捆外送的等值模型。利用電磁暫態(tài)仿真研究直驅(qū)風電機組對高壓側火電機組的影響，通過改變直驅(qū)風機的兩個重要影響因子(風速和風機臺數(shù))，觀察其對火電機組次同步振蕩的影響。研究結果表明，風火打捆外送中直驅(qū)風電機組的風速和風機臺數(shù)對高壓側火電機組次同步振蕩現(xiàn)象有影響，主要體現(xiàn)在風速較大和較小，且風機臺數(shù)較多時，火電機組次同步振蕩時的電壓和相關轉(zhuǎn)矩發(fā)生了顯著變化。

風火打捆；直驅(qū)風機；火電機組；次同步振蕩；影響；風速；風機臺數(shù)

隨著風電技術的迅猛發(fā)展，鼠籠式異步風力發(fā)電機、雙饋異步風力發(fā)電機、直驅(qū)永磁風力發(fā)電機相繼出現(xiàn)，使得人們能夠更方便和高效地合理利用風能[1]。其中直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組，憑借其獨特的優(yōu)勢，成為了未來風電發(fā)展的新趨勢。自1970年Mohave地區(qū)的火電機組發(fā)生次同步振蕩(subsynchronous oscillation ,SSO)以來，世界上許多地區(qū)的火電機組和風電機組相繼發(fā)生了多起事故[2]。直驅(qū)風力發(fā)電機組由于其本身獨特的結構不易發(fā)生次同步振蕩，但是可能會對風火打捆中高壓側的火電機組產(chǎn)生一定的影響。因此有必要深入研究風火打捆外送中直驅(qū)風電機組對火電機組次同步振蕩的具體影響。

由于我國一次能源和負荷中心呈逆向分布，西北地區(qū)過多的風能無法就地利用，而中國中東部地區(qū)卻對電能的需求很大?？紤]到當?shù)仫L電場棄風因素的影響，如果直接將風機發(fā)出的電能進行遠距離輸送，會造成輸電通道的浪費。所以我國在西北地區(qū)采取風火打捆外送，這在一定程度上解決了以上問題，但是系統(tǒng)遭受大擾動的風險提高了，存在不少安全問題。

大型風電場一般包括幾百上千臺風機，由文獻[3]可知傳統(tǒng)的分法一般把風機分為4種類型：1型鼠籠式異步風力發(fā)電機，2型繞線式感應風力發(fā)電機，3型雙饋異步風力發(fā)電機，4型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機。4型直驅(qū)永磁風電機組不僅結構上不存在齒輪箱,而且其定子側和外部電網(wǎng)不發(fā)生直接耦合，而是通過換流器與電網(wǎng)直接連接，因此不易發(fā)生扭振，軸系剛度也比其他幾型的風電機組要好。

目前，國內(nèi)外關于風機次同步諧振問題的研究已經(jīng)取得了不少成果。由文獻[4]可知，IEEE工作組把次同步諧振定義為次電力系統(tǒng)的一種不正常的運行狀態(tài)，在這種運行狀態(tài)下，電氣系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機組以低于系統(tǒng)同步頻率顯著交換能量，從而危害汽輪發(fā)電機的動態(tài)過程。文獻[5]指出，定速風電機組采用串補線路外送電能時會發(fā)生SSO問題，初步探討了SSO的產(chǎn)生機理，并利用時域仿真法分析了其影響因素，得到了線路串補度越高、風機出力越大，次同步振蕩會發(fā)散越嚴重的相關結論。文獻[6-7]研究了風火打捆外送中的次同步振蕩，但是局限于雙饋風機，沒有考慮直驅(qū)永磁風機也可能引起的火電機組次同步振蕩。文獻[8]雖然以直驅(qū)風機和火電機組為基礎建模，研究直驅(qū)風機風電場和交流電網(wǎng)相互作用引發(fā)次同步振蕩，但是沒有深入探討直驅(qū)風機和火電機組之間的相互作用?？梢姮F(xiàn)有的文獻主要集中于雙饋機風力發(fā)電機組的次同步振蕩研究，或者僅僅著眼于發(fā)電機內(nèi)部結構，鮮有文獻考慮直驅(qū)風電機組對火電機組的影響，而2015年7月，新疆伊犁地區(qū)直驅(qū)風電機組和火電機組打捆外送中，出現(xiàn)了持續(xù)的功率振蕩現(xiàn)象，并導致了火電機組解裂。

在這種背景下，本文以風火打捆外送中直驅(qū)風電機組和火電機組為對象，重點分析直驅(qū)風電機組對火電機組次同步振蕩的影響，建立直驅(qū)風電機組和火電機組并聯(lián)到無窮大電網(wǎng)的建模，從仿真結果分析比較風速和并網(wǎng)風機臺數(shù)對火電機組次同步振蕩的具體影響。

1 風火打捆系統(tǒng)建模

1.1 風火打捆建模的主要思想

風輪葉片將風能轉(zhuǎn)換為機械能，此時相關的空氣動力學方程為

(1)

式中：R為風電機組葉輪的半徑；ρ為空氣密度；vw為風速；Cp為風能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由式(1)可知風電機組的機械轉(zhuǎn)矩和風速有關，并且隨著風速增加，機械轉(zhuǎn)矩增加。同時由式(2)可知,當風機臺數(shù)N增加時,總的轉(zhuǎn)矩也增大了。同步發(fā)電機軸系運動方程可以表示為

(2)

Tp2Δδ+kΔδ=ΔT

(3)

其中Δδ=[ΔδHPΔδIPΔδLPAΔδLPBΔδGENΔδEXE]T為對應圖1中的轉(zhuǎn)子角度。

圖1火電機組軸系6質(zhì)量塊模型

Fig.16massmodelofshaftingofthermalpowerunit

由文獻[9]可知負阻尼轉(zhuǎn)矩ΔTD由式(3)中的變量Δδ約束，并且ΔTD能對電氣負阻尼產(chǎn)生影響，并且同步轉(zhuǎn)矩和負阻尼轉(zhuǎn)矩ΔTD共同作用于軸系振蕩頻率，最終影響系統(tǒng)的次同步振蕩。本文的思想是將直驅(qū)風機和火電機組看成一個關聯(lián)的整體，基于文獻[9]中提出的次同步諧振的局部傳播機理，同時也考慮到直驅(qū)風機和火電機組都由同步電機構成，提出風速和風機臺數(shù)的變化會影響直驅(qū)風機風場中同步電機的轉(zhuǎn)矩。由于軸系作用的轉(zhuǎn)遞性，風速和風機臺數(shù)通過影響Δδ，負阻尼轉(zhuǎn)矩ΔTD和電氣負阻尼，最后對火電機組次同步振蕩產(chǎn)生影響。

1.2 直驅(qū)風電場建模

風電場并網(wǎng)后一般利用柔性交流輸電技術(FACTS)和高壓直流輸電技術(HVDC)輸向一些重負荷地區(qū)。本文為了方便研究問題采用如圖2所示的直驅(qū)風機模型。風機是恒定風速風機。風速和額定轉(zhuǎn)速通過風機輸出機械轉(zhuǎn)矩信號進入同步電機,然后同步電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，之后通過圖3直流/交流/直流(AC/DC/AC)變換器，將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電能。變換器的建模采用現(xiàn)在主流的兩個背靠背的PWM6脈沖電壓源型全功率變換器。這種變換器能減少輸出電壓和發(fā)電機線圈電流中的諧波分量，提高電壓源變流器的效率。

圖2 直驅(qū)風機原理圖

圖3 PW換流器拓撲結構

1.3 風火打捆建模

圖4 風火打捆外送原理圖

圖4所示為風火打捆外送的原理圖，把N臺型號完全相同的容量為5.5 MW，額定電壓為0.69 kV的直驅(qū)風機并聯(lián)到一根母線上，并使它們的運行狀態(tài)和相關參數(shù)保持一致。然后利用升壓變壓器(0.69 kV/33 kV)，把電壓升高到33 kV。系統(tǒng)連接電抗采用線路電抗r+jx表示,在高壓側基于IEEE次同步振蕩的第一基準模型并聯(lián)一個火電機組。該火電機組額定電壓為15 kV，額定電流為19.8 kA，總容量為892 MW,經(jīng)過變壓器,流過電阻為6.08 Ω,電感為432.3 mH的線路,然后經(jīng)過16.6 μF的串聯(lián)電容補償,變壓到33 kV，最后和直驅(qū)風電機組一同接入無窮大電網(wǎng)。

2 直驅(qū)風機對火電機組次同步振蕩的影響分析

2.1 研究方法

采用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC進行電磁暫態(tài)仿真，建立圖3所示的模型。由上文分析可知風速和風機臺數(shù)通過影響機械轉(zhuǎn)矩來影響直驅(qū)風電機組的運行，并且可能影響火電機組的次同步振蕩。因此本文選擇以上兩個重要參數(shù)，研究他們對火電機組次同步振蕩的影響。

2.2 風速對火電機組次同步振蕩的影響

首先選擇風速11.3 m/s，并網(wǎng)風機臺數(shù)10臺作為參考，取IEEE第一基準模型中4個重要參數(shù):火電機組的電容電壓、電氣負轉(zhuǎn)矩和兩對質(zhì)量塊之間的轉(zhuǎn)矩(TG-E和TLA-LB)為觀測量。通過暫態(tài)仿真可以得到圖5波形。

為了方便觀測，加大風速，使風速增加到極端條件下的50 m/s，其他條件不變，此時波形變?yōu)閳D6。從圖6和圖5的差別可以看出，當風速增加到50 m/s時，火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間提前了，同時電氣負轉(zhuǎn)矩和質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩TLA-LB也發(fā)生了變化。

最后減少風速，使風速減小到 1m/s，其他條件不變，此時波形為圖7。從圖7和圖5的差別中可以看出，當風速減少到1 m/s時，火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間沒有提前，三相電容電壓和電氣負轉(zhuǎn)矩沒有顯著變化。質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩TLA-LB和質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩TG-E發(fā)生了一些細微變化。

2.3 并網(wǎng)風機臺數(shù)對火電機組次同步振蕩的影響

保持基準風速11.3 m/s不變，僅改變并網(wǎng)風機臺數(shù)為80臺，此時波形為圖8。從圖8和圖5的差別中可以看出，當風機臺數(shù)增加到80臺時，火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間也略有提前，同時電氣負轉(zhuǎn)矩和質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩TG-E有了明顯變化。

圖5 參考量下的次同步振蕩波形

圖6 改變風速為50m/s時的次同步振蕩波形

圖7 改變風速為1m/s時的次同步振蕩波形

圖8 改變并網(wǎng)風機臺數(shù)為80臺時次同步振蕩波形

圖9 改變并網(wǎng)風機臺數(shù)為100臺時的次同步振蕩波形

然后保持風速11.3 m/s不變，僅改變并網(wǎng)風機臺數(shù)為100，此時波形圖如圖9所示。從圖9和圖5、圖8差別可看出，當風機臺數(shù)增加到100臺時，火電機組發(fā)生次同步振蕩時間隨風機臺數(shù)增加而提前，質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩TLA-LB和TG-E也有明顯變化。

3 結 論

1) 火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間隨著風速的增加和風機臺數(shù)的增加而提前，質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩也隨著風速的變化和風機臺數(shù)增加而發(fā)生改變。

2) 當風速逐漸減少到1 m/s時，火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間沒有提前；而當風速逐漸增加到50 m/s時，火電機組發(fā)生次同步振蕩的時間提前了；風速從1 m/s逐漸增加到50 m/s，次同步振蕩發(fā)生的時間從開始沒有明顯變化到后來隨著風速的增加而提前；和次同步振蕩有密切關系的質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩量也發(fā)生了變化。

3) 當風機臺數(shù)增加到80臺和100臺時，發(fā)生振蕩的時間隨著風機臺數(shù)增加而提前，同時質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了變化。

4) 得出直驅(qū)風電機組的風速和風機臺數(shù)通過影響同步電機的質(zhì)量塊轉(zhuǎn)矩，對火電機組次同步振蕩產(chǎn)生影響。

[1] 畢天姝，孔永樂，肖仕武，等．大規(guī)模風電外送中的次同步振蕩問題[J]．電力科學與技術學報，2012，27(1)：10-15．

BI Tianshu, KONG Yongle, XIAO Shiwu, et al. Review of sub-synchronous oscillation with large-scale wind power transmission[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2012, 27(1): 10-15．

[2] Subsynchronous Resonance Working Group. The System Dynamic Performance SubcommitteeReader’s guideto subsynchronous ,resonance[J] ．IEEE Transactions on Power Systems，1992，7(1)：150-157．

[3] 栗然, 盧云, 劉會蘭, 等. 雙饋風電場經(jīng)串補并網(wǎng)引起次同步振蕩機理分析[J]. 電網(wǎng)技術, 2013, 37(11): 3073-3079.

LI Ran, LU Yun, LIU Huilan, et al. Mechanism analysis on subsynchronous oscillation Caused by grid-integration of doubly fed wind power generation system via?series compensation[J]. Power System Technology, 2013, 37(11):3073-3079.

[4] IEEE Subsynchronous Resonance Working Group．Propo-sed terms and definitions for subsynchronous oscillations [J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1980，PAS-99(2)：506-511．

[5] VARMA R K, A MOHARANA A. SSR in double-cage induction generator-based wind farm connected to series-compensated transmissionLine[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 2573-2583.

[6] 雷虹云, 鄭超, 岳興華,等. 風火電組合外送系統(tǒng)中風電改善火電機組SSR的研究[J]. 中國電力, 2013, 46(4):63-68.

LEI Hongyun, ZHENG Chao, YUE Xinghua, et al. Mitigating thermal power’s SSR by additional damping controller of DFIG[J]. Electric Power, 2013, 46(4):63-68.

[7] 孫永輝, 徐濤. 風火組合外送系統(tǒng)中風火配比對SSO的影響分析[J]. 現(xiàn)代制造, 2016(3):5-7.

SUN Yonghui, XU Tao. Analysis of the effect of wind-fire power ratio on SSO in wind-fire power unit transmission system[J]. Maschinen Market, 2016(3):5-7.

[8] 謝小榮, 劉華坤, 賀靜波,等. 直驅(qū)風機風電場與交流電網(wǎng)相互作用引發(fā)次同步振蕩的機理與特性分析[J]. 中國電機工程學報,2016, 36(9):2366-2372.

XIE Xiaorong, LIU Huakun, HE Jingbo, et al. Mechanism and characteristics of subsynchronous oscillation caused by the interaction between full-converter wind turbines?and AC systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(9):2366-2372.

[9] 程欣. 次同步諧振局部傳播機制與建模方法[D].鎮(zhèn)江: 江蘇大學, 2016.

CHENG Xin. Local propagation mechanism and modeling method of subsynchronous resonance[D].Zhenjiang:Jiangsu University, 2016.

Analysis of the influence of drive-driven wind turbine units on subsynchronous oscillation of thermal power units in wind-thermal-bundled transmission

WANG Qinnan1,HOU Mingzhe2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China；2.Shenzhen Power supply Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)

In recent years, there have been continuous subsynchronous oscillations on the high-pressure side of the direct-driventurbine wind farms in some regions of China, which causes the torsional vibration protection action in the adjacent thermal power units and thus leads to the occurrence of the cracking accident. In order to have a deeper study on this kind of problem, in this paper, the equivalent models of direct-driventurbine wind farm and bundled transmission of thermal power unitsare established. The effects of direct-driven wind turbines on the high-pressure side thermal power units are used by means of electromagnetic transient simulation and two important influencing factors of the speed and number of the direct-drivenwind turbineare changed, in ways to observe the influence of turbine on sub-synchronous oscillations of thermal power units. The results show that the wind speed and the number of turbine of direct-driven wind turbines in the wind-thermal-bundled transmission are affected by the subsynchronous oscillation of high-pressure side thermal power units. It is mainly demonstrated in the area where the voltage and related torque for subsynchronous oscillations ofthermal power units has undergone significant changes, when wind speed is larger or smaller and the number of turbinesincreases.

wind-fire bundle; direct-drivenwind turbine; thermal power unit; subsynchronous oscillation; influence; wind speed; turbine number

2017-05-08。

王琴南(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向為次同步振蕩，風電場規(guī)劃，直驅(qū)永磁和雙饋風機并網(wǎng)問題。

TM743;TM614

A

2095-6843(2017)05-0402-05

(編輯陳銀娥)