齊曉光, 安佳坤, 胡君慧

1.國家電網河北省電力公司 經濟技術研究院 石家莊 050000 2.國家電網北京經濟技術研究院 北京 102209

1 研究背景

近些年,隨著風電的快速發(fā)展,電力能源中風力發(fā)電的占比逐步增大。在幾種主要風力發(fā)電機中,雙饋型風力發(fā)電機是當前風力發(fā)電的主要裝備[1-2]。雙饋型風力發(fā)電機具有不同于同步發(fā)電機的異構電源形態(tài),其大規(guī)模接入將對電網節(jié)點電壓、網損、線路功率和傳輸方向產生較大影響。同時,雙饋型風力發(fā)電機具有不同于同步發(fā)電機的結構特征,相應的潮流計算方法與傳統(tǒng)方法也有所不同。可見,研究大規(guī)模雙饋型風力發(fā)電機接入后的電網潮流計算方法具有重要的工程實踐意義。

針對含風、光、儲等多類型新能源的電力系統(tǒng)潮流計算,文獻[3]將多類型新電源直接處理為PQ節(jié)點,并用牛頓-拉弗森法求解潮流。文獻[4]將各類型新能源處理為PV節(jié)點,并采用牛頓-拉弗森法進行計算。文獻[3]和文獻[4]并未充分考慮各類型新能源的電磁特征和控制策略,只是將不同類型的新能源處理成PV或PQ節(jié)點,電網潮流計算存在誤差。文獻[5]對風、光等類型的新能源進行建模,根據(jù)電源并網點的電壓或電流,計算參與迭代的節(jié)點功率。迭代過程中將分布式電源近似處理為PQ節(jié)點,并使用前推回代法實現(xiàn)潮流計算。與牛頓-拉弗森法相比,這一方法不適合處理含多電源和弱環(huán)的配電網。文獻[6]將雙饋型風力發(fā)電機處理為P-Q(V)節(jié)點,但并未考慮風力發(fā)電機控制策略對輸出功率的影響。

針對上述問題,筆者以雙饋型風力發(fā)電機的電磁特征研究為基礎,充分考慮風力發(fā)電機正常運行時的控制策略,提出含雙饋型風力發(fā)電機的電力系統(tǒng)潮流計算方法。這一方法基于牛頓-拉弗森法,將雙饋型風力發(fā)電機處理為P-Q(V)節(jié)點,以提高大規(guī)模風電接入后的電力系統(tǒng)潮流計算精度。

2 雙饋型風力發(fā)電機電磁特性

根據(jù)正常運行期間雙饋型風力發(fā)電機的電磁耦合特性,轉子繞組的電磁關系可表示為:

Ur=I2(r2+jx2)-E2

(1)

式中:Ur為轉子電壓矢量;I2為轉子電流矢量;r2為轉子繞組電阻;x2為轉子繞組漏抗;E2為轉子側感應電動勢矢量。

雙饋型風力發(fā)電機定、轉子電壓及電流的頻率不同,為便于分析雙饋型風力發(fā)電機的電磁耦合特征,需進行轉子頻率折算,即:

(2)

式中:s為轉差率;E20為轉子繞組靜止時的感應電動勢矢量;I20為轉子繞組靜止時的轉子電流矢量;x20為轉子繞組靜止時的轉子繞組漏抗。

由推導可得,只要等效的靜止轉子滿足I20=I2,即可實現(xiàn)頻率折算,即用一個靜止且電阻為r2/s的等效轉子來表示電阻為r2的實際旋轉轉子,此時轉子側電壓應替換為Ur/s。

經過頻率折算,再考慮繞組的變比折算,最終得到雙饋型風力發(fā)電機的基本方程[7]:

(3)

依據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律,可推導得普通異步發(fā)電機的基本方程式[7]:

(4)

經過上述分析,如圖1所示,可以得到雙饋型風力發(fā)電機的T型等效電路。對T型等效電路進行簡化,得到Γ型等效電路。

圖1 雙饋型風力發(fā)電機等效電路

3 雙饋型風力發(fā)電機調節(jié)作用

圖2所示為傳統(tǒng)繞線式發(fā)電機矢量圖。由圖2可知,在正常運行狀態(tài)下,當轉差率s和發(fā)電機參數(shù)確定后,定、轉子各矢量之間的相位就已經確定。此時,發(fā)電機一邊輸出有功功率,一邊從系統(tǒng)吸收部分無功功率進行電機勵磁。

圖2 傳統(tǒng)繞線式發(fā)電機矢量圖

圖3 雙饋型風力發(fā)電機矢量圖

4 雙饋型風力發(fā)電機控制策略

雙饋型風力發(fā)電機的主要控制策略包括矢量控制策略、多標量控制策略、直接功率與直接轉矩控制策略等[8-11]。其中,矢量控制策略在雙饋風力發(fā)電機組中應用較為廣泛,其優(yōu)勢在于具有較強的魯棒性,能顯著提高雙饋型風力發(fā)電機的運行性能,并有效控制機組輸出。

(5)

式中:ψsm為定子主磁鏈幅值。

圖4 定子磁鏈定向同步旋轉坐標系

將式(5)表示的定子主磁鏈d軸、q軸分量代入同步旋轉坐標系下的定子磁鏈方程[12-16],可得:

(6)

式中:U1為定子電壓幅值;usd、usq分別為定子電壓d軸和q軸分量。

在同步旋轉坐標系下,雙饋型風力發(fā)電機輸出的瞬時有功功率Ps和無功功率Qs可表示為:

(7)

式中:isd、isq分別為定子電流d軸和q軸分量。

將式(5)、式(6)代入式(7),化簡可得到:

(8)

式中:Lm為激磁電感;Ls為定子等效電感;ird、irq分別為轉子電流d軸和q軸分量。

當忽略勵磁電流時,輸出的有功功率P和無功功率Q可表示為:

(9)

由式(9)可知,在定子磁鏈定向的綜合矢量模型中,轉子電流的d軸、q軸分量可分別獨立控制雙饋型風力發(fā)電機輸出的無功功率和有功功率。針對雙饋型風力發(fā)電機的上述特點,可以設計雙饋型風力發(fā)電機轉子側變流器的控制系統(tǒng),如圖5所示。圖5中的有功功率指令值Ps,ref和無功功率指令值Qs,ref可以根據(jù)電力系統(tǒng)對風力發(fā)電場輸出功率的要求主動設定。此外,由最大功率跟蹤算法可以計算得到風力發(fā)電機的轉速指令值,進而確定雙饋型風力發(fā)電機的有功功率指令值,無功功率指令值則可以由機端電壓指令值計算確定。

圖5 雙饋型風力發(fā)電機轉子側變流器控制系統(tǒng)

5 雙饋型風力發(fā)電機P-Q(V)節(jié)點處理

由于雙饋型風力發(fā)電機本質上是一種與傳統(tǒng)同步發(fā)電機異構的電源形態(tài),其輸出無功功率由轉子電流d軸分量控制,受電機參數(shù)、機端電壓、轉子繞組電壓等因素影響,因此筆者提出在潮流計算中將雙饋型風力發(fā)電機處理為P-Q(V)節(jié)點,從而更為真實地反映雙饋型風力發(fā)電機在系統(tǒng)中的功率輸出特性。

對雙饋型風力發(fā)電機進行P-Q(V)節(jié)點處理時有如下假設:雙饋型風力發(fā)電機的功率解耦控制元件可以實現(xiàn)無差調節(jié),此時由控制策略得到的轉子電壓指令值等于雙饋型風力發(fā)電機轉子側變流器實際輸出的轉子電壓,即Ur.ref=Ur。

根據(jù)雙饋型風力發(fā)電機Γ型等效電路,可得到雙饋型風力發(fā)電機的轉子電流解析表達式:

(10)

由式(9)可知,轉子電流q軸分量可以由有功功率P表示:

(11)

根據(jù)式(10)和式(11),可以求得轉子電流的d軸分量:

(12)

將式(12)代入式(9),可以得到雙饋型風力發(fā)電機瞬時輸出的無功功率,這樣便可以在潮流迭代中將雙饋型風力發(fā)電機由PV節(jié)點轉換為可處理的PQ節(jié)點類型,其無功輸出功率Q將隨機端定子電壓U1變化。

6 潮流計算

根據(jù)前述雙饋型風力發(fā)電機P-Q(V)節(jié)點處理方法,以牛頓-拉弗森法進行電力系統(tǒng)潮流計算,計算步驟如下。

(1) 讀取網絡數(shù)據(jù),將雙饋型風力發(fā)電機作為P-Q(V)節(jié)點存儲,形成全網的導納矩陣,設定各類型節(jié)點電壓的初始值和收斂精度。

(2) 對雙饋型風力發(fā)電機的P-Q(V)節(jié)點進行初始化,將感應異步發(fā)電機參數(shù)、機端電壓、輸出有功功率代入式(10)～式(12),可以得到雙饋型風力發(fā)電機輸出的初始無功功率。

(3) 計算新能源并網點初始注入功率。根據(jù)第(2)步得到的雙饋型風力發(fā)電機初始無功功率,計算并網點的實際初始注入功率。

(4) 進行第k次迭代,根據(jù)牛頓-拉弗森法求取k次迭代后各節(jié)點的電壓直角坐標系實部偏差Δe(k)和電壓直角坐標系虛部偏差Δf(k),進而求得k+1次迭代時的節(jié)點電壓直角坐標系實部e(k+1)和虛部f(k+1)。再依據(jù)式(10)～式(12)求得P-Q(V)節(jié)點的Q(k+1),并更新節(jié)點的注入功率。

(5) 判斷是否收斂max{Δe(k),Δf(k)}<ε。若結果收斂,則迭代結束,并計算網絡節(jié)點功率和線路功率;否則將k+1賦值給k,并返回第(4)步進行下一次迭代。

算法流程如圖6所示。

圖6 算法流程

7 算例分析

如圖7所示,以IEEE-14節(jié)點標準測試系統(tǒng)為例進行分析計算,網絡參數(shù)詳見文獻[17]。IEEE-14節(jié)點標準測試系統(tǒng)包括五臺發(fā)電機、十一個負荷。節(jié)點1設置為平衡節(jié)點。

圖7 IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)接線圖

7.1 節(jié)點3接入雙饋型風力發(fā)電機

在節(jié)點3接入由三十臺雙饋型風力發(fā)電機組成的風力發(fā)電場,風力發(fā)電場有功功率輸出總計為30×1.5 MW=45 MW。根據(jù)筆者方法進行潮流計算,計算結果見表1。

表1 節(jié)點3接入雙饋型風力發(fā)電機計算結果

在IEEE-14節(jié)點標準測試系統(tǒng)中,節(jié)點3的節(jié)點電壓標么值為1.01。在節(jié)點3處接入雙饋型風力發(fā)電機后,由表1的計算結果可知,節(jié)點3的電壓標么值從1.01提高到1.037 6?？梢?在雙饋型風力發(fā)電機控制策略影響下,對電網具有較強的無功支撐作用。

7.2 增加節(jié)點3雙饋型風力發(fā)電機裝機容量

逐漸增加接入節(jié)點3的雙饋型風力發(fā)電機裝機容量,采用筆者方法進行潮流計算,結果見表2。

表2 增加節(jié)點3雙饋型風力發(fā)電機裝機容量計算結果

由表2計算結果分析雙饋型風力發(fā)電機的P-Q曲線和P-V曲線,如圖8所示。

圖8 雙饋型風力發(fā)電機特性曲線

由圖8可知,在控制策略影響下,雙饋型風力發(fā)電機的輸出功率特性及其對系統(tǒng)的影響如下。

(1) 隨著雙饋型風力發(fā)電機有功輸出功率的增大,機組輸出的無功功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。根據(jù)式(9)～式(12),無功功率的變化趨勢受機組參數(shù)和轉差率影響。

(2) 雙饋型風力發(fā)電機的機端電壓主要受控制策略影響。在機組控制模塊作用下,雙饋型風力發(fā)電機將根據(jù)機端電壓的變化,自動調整無功功率的輸出,從而對系統(tǒng)電壓具有較好的提升作用。

8 結束語

通過對風力發(fā)電機電磁特征和控制策略的綜合考慮,提出含雙饋型風力發(fā)電機的電力系統(tǒng)潮流計算方法,可以更為準確地描述以雙饋型風力發(fā)電機為主要機型的風電場輸出特性。

相比于傳統(tǒng)繞線式發(fā)電機,雙饋型風力發(fā)電機通過轉子側變流器引入轉子勵磁電壓,大大改善了運行特性,使雙饋型風力發(fā)電機在輸出有功功率的同時,也向系統(tǒng)輸出容性無功功率,對電網電壓形成支撐。

雙饋型風力發(fā)電機的機端電壓主要受控制策略影響,在機組控制模塊作用下,雙饋型風力發(fā)電機根據(jù)機端電壓的變化,自動調整無功功率的輸出,從而對系統(tǒng)電壓具有較好的提升作用。