趙斌

中國(guó)電建集團(tuán)重慶工程有限公司 重慶 400000

直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性均不同于傳統(tǒng)的同步電機(jī)，隨著風(fēng)電滲透率的不斷增加，大量直驅(qū)型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性產(chǎn)生新的影響。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)含直驅(qū)型風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，這些研究為電力工作者判斷直驅(qū)型風(fēng)機(jī)接入后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)。然而現(xiàn)有的研究多為針對(duì)某一特定的預(yù)想事故，并對(duì)此事故前節(jié)點(diǎn)注入功率空間上的點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)仿真，以判斷系統(tǒng)在每個(gè)點(diǎn)上的穩(wěn)定性[1]。

1 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的工作原理

該系統(tǒng)用于直接連接到風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，使用雙PWM背對(duì)背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接風(fēng)力渦輪機(jī)和電網(wǎng)，以將AC電力轉(zhuǎn)換為AC電力。在直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，風(fēng)力渦輪機(jī)在一定的空氣流量下產(chǎn)生機(jī)械能，風(fēng)力渦輪機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接而不通過變速箱，發(fā)電機(jī)在風(fēng)扇中產(chǎn)生設(shè)備。旋轉(zhuǎn)開始旋轉(zhuǎn)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過總功率開關(guān)系統(tǒng)將能量輸送到電網(wǎng)，該功率開關(guān)系統(tǒng)包括機(jī)器側(cè)的整流器，電網(wǎng)側(cè)的逆變器和中間中間電路。機(jī)器側(cè)根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速信息拉動(dòng)發(fā)電機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)，當(dāng)風(fēng)速等于標(biāo)稱風(fēng)速W時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)速度來(lái)固定最大風(fēng)能，當(dāng)風(fēng)速超過標(biāo)稱風(fēng)速時(shí)，執(zhí)行俯仰角。正確設(shè)置，W使風(fēng)力渦輪機(jī)姐妹在標(biāo)稱狀態(tài)下工作。電網(wǎng)側(cè)的控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)維持中間直流母線的直流電壓，并調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的無(wú)功功率，以確保與電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 動(dòng)態(tài)安全域（DSR）

2.1 定義

在分析電力系統(tǒng)故障后的暫態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，一般可將電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按時(shí)間分為3個(gè)階段：事故發(fā)生前結(jié)構(gòu)i，事故發(fā)生中結(jié)構(gòu)F，事故發(fā)生后結(jié)構(gòu)j。暫態(tài)穩(wěn)定，則稱注入功率y是動(dòng)態(tài)安全的，所有滿足該條件的y組成的集合。計(jì)算出的系統(tǒng)DSR邊界為n維空間上的超平面，在實(shí)際應(yīng)用中，一般可以選取2個(gè)或3個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率注入作為參數(shù)空間，得到DSR邊界在2維或3維空間上的剖面圖，這樣可以清晰觀察出運(yùn)行點(diǎn)在各方向上的穩(wěn)定裕度。

2.2 求解方法

本文采用擬合法來(lái)計(jì)算系統(tǒng)DSR。擬合法通過事前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大量時(shí)域仿真來(lái)尋找定位保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的臨界運(yùn)行點(diǎn)，并對(duì)搜索到的臨界運(yùn)行點(diǎn)集合進(jìn)行擬合，得到DSR的超平面邊界，擬合的方法一般為最小二乘法。擬合法簡(jiǎn)單、直觀，雖然計(jì)算量大，但是準(zhǔn)確性較高[2]。含直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)DSR邊界性質(zhì)未知，因此采用擬合法求解其DSR較為合適。

3 算例

3.1 基礎(chǔ)模型和參數(shù)

本文以新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例（如圖1），其中同步電機(jī)G2為平衡機(jī)，采用的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)和DFIG模型和參數(shù)見文獻(xiàn)[16-18]，同步電機(jī)模型和參數(shù)見文獻(xiàn)[18]。為研究直驅(qū)型風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)DSR的影響，算例設(shè)置以下3種場(chǎng)景：1）不接入風(fēng)機(jī)；2）將同步電機(jī)G3替換為等容量的DFIG，通過變壓器與母線32連接，出口母線設(shè)為母線40；3）將同步電機(jī)G3替換為等容量的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，通過變壓器與母線32連接，出口母線設(shè)為母線40。系統(tǒng)故障隨機(jī)選取，同時(shí)運(yùn)行人員根據(jù)觀察需要選取系統(tǒng)注入功率空間的坐標(biāo)軸。預(yù)想事故為線路10-13在節(jié)點(diǎn)10出口處發(fā)生三相金屬性短路故障，故障切除時(shí)間為0.067s（第4周波）。

圖1 新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

3.2 含直驅(qū)型風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)的DSR邊界變化規(guī)律

單臺(tái)風(fēng)機(jī)接入時(shí)系統(tǒng)DSR邊界變化規(guī)律。在場(chǎng)景3下，改變直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的容量，分別設(shè)定為原容量的20%、40%、60%、80%和100%，考察在單臺(tái)風(fēng)機(jī)接入情況下系統(tǒng)DSR邊界隨風(fēng)機(jī)容量的變化規(guī)律。選取母線33、母線34和母線3的有功注入作為坐標(biāo)軸，觀察系統(tǒng)DSR在不同容量下的3維空間斷面圖。以原容量對(duì)應(yīng)的DSR邊界為參考面，各容量下邊界間的夾角很小，最大為2.41°，可見邊界間具有很好的平行性。因此可用參考面上任一點(diǎn)沿其法線方向到其它邊界的距離來(lái)表示邊界的面間距離。結(jié)合圖3，隨著風(fēng)機(jī)容量增加，DSR邊界不斷外擴(kuò)（DSR范圍擴(kuò)大），且面間距離與風(fēng)機(jī)容量增量具有近似線性關(guān)系。幾種容量下邊界擬合誤差最大為1.52%，滿足工程應(yīng)用需要。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著風(fēng)電滲透率不斷增加，大量直驅(qū)型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生新的影響。當(dāng)前對(duì)含直驅(qū)型風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法大多屬于“逐點(diǎn)法”，其結(jié)果與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)且無(wú)法提供系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性度量。