周 云，巴 宇，馬海薇，馬海濤，趙肖旭，吳 林，張 佳

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最具前景的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。雙饋風(fēng)機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)的工作原理與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，研究DFIG 對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全水平的影響顯得非常迫切[1-4]。

調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的無功功率是一種改善節(jié)點(diǎn)電壓的有效方式，雙饋式風(fēng)電機(jī)組因其具有解耦控制性能，能夠在穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和補(bǔ)償無功方面發(fā)揮一定的作用[5]。保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是電網(wǎng)調(diào)度面臨的一大課題，利用DFIG 風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償局部電網(wǎng)的無功功率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)精益化調(diào)度，提高新能源消納水平。通過減少機(jī)組出力、聯(lián)絡(luò)線功率，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器暫態(tài)功角控制，等效故障電源等新視角分析DFIG，以進(jìn)一步提高電網(wǎng)暫態(tài)安全裕度，推進(jìn)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的發(fā)展。

1 含風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)無功電壓特性分析

DFIG在網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制下，通過控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)子d，q 軸電流，實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦控制，機(jī)組具備一定的無功功率調(diào)節(jié)能力。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，基于DFIG 的風(fēng)電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)系統(tǒng)之間無功功率交換為零的運(yùn)行狀態(tài)，甚至可以向主網(wǎng)系統(tǒng)提供一定的無功功率。因此，正常運(yùn)行時(shí)含雙饋型異步風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)能夠維持較好的電壓水平，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定及靜態(tài)電壓水平有積極作用。含風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)等效原理如圖1 所示。

圖1 含風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)等效原理

由式(4)可以看出，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中的電壓Ut會(huì)跌落，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的無功功率可以通過連接風(fēng)電場(chǎng)的等效電抗給系統(tǒng)注入一定的無功功率，對(duì)系統(tǒng)中的電壓Ut提供支撐，節(jié)點(diǎn)電壓被無功功率支撐的強(qiáng)度隨著注入系統(tǒng)中無功功率的增加而變強(qiáng)。

從系統(tǒng)中無功功率平衡的角度出發(fā)，暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組能夠提供的暫態(tài)無功功率能夠有效彌補(bǔ)系統(tǒng)的短時(shí)無功缺額，有效提高暫態(tài)電壓安全裕度。無功功率平衡表達(dá)式為：

電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定水平主要取決于系統(tǒng)中無功功率水平，在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中，充分利用無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提供電壓支持，是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段。

2 風(fēng)電接入點(diǎn)電壓支撐規(guī)律分析

雙饋異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率由轉(zhuǎn)子電流控制，發(fā)出或者吸收的無功功率可以在大范圍內(nèi)變化，也可通過配置能量存儲(chǔ)設(shè)備增強(qiáng)DFIG 低電壓穿越能力。假設(shè)風(fēng)機(jī)均具備低電壓穿越能力，在電網(wǎng)發(fā)生故障情況下，保持機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行可以提升故障切除后系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度，含雙饋異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2 所示。

圖2 含雙饋異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)等效電路

雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相似，定、轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱繞組，磁路、電路對(duì)稱，均勻氣隙分布。經(jīng)過折算后，得到雙饋發(fā)電機(jī)基本方程為:

由上式可以看出，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓與風(fēng)電場(chǎng)輸出電流、短路阻抗及故障點(diǎn)距離風(fēng)電場(chǎng)的電氣距離相關(guān)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的電流越大，故障點(diǎn)距離風(fēng)電場(chǎng)的電氣距離越大或短路阻抗越大，對(duì)暫態(tài)期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用越強(qiáng)。隨著風(fēng)電滲透率的增加，風(fēng)電場(chǎng)外送電流必然會(huì)增大，因此，理論上對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用也越強(qiáng)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真條件

為了證實(shí)該方法的有效性，采用新英格蘭39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如表1，圖3 所示。在BPA 環(huán)境下搭建含大規(guī)模風(fēng)電集中接入的新英格蘭39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。仿真采用的雙饋風(fēng)機(jī)模型控制方式為恒電壓控制?？紤]三相接地短路故障發(fā)生在節(jié)點(diǎn)m (m=5，23，28)和k (k=8，24，29)之間線路的50 %處(見圖3)，故障時(shí)長(zhǎng)為5 周波，DFIG風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)為39 號(hào)節(jié)點(diǎn)。利用暫態(tài)期間風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的最小值判斷暫態(tài)穩(wěn)定安全裕度變化。

表1 新英格蘭39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出力

圖3 新英格蘭39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真

3.2 滲透率對(duì)暫態(tài)電壓安全的影響

暫態(tài)電壓穩(wěn)定因子(transient voltage stability index，TVSI)為暫態(tài)期間電壓最小值與穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓值的比值。TVSI 能夠表征含風(fēng)電機(jī)組電力系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐效果，該值越大，說明DFIG 風(fēng)電機(jī)組對(duì)電壓支撐效果越好，系統(tǒng)在故障切除后恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的速度越快。

從表2 中可以看出，仿真采用無風(fēng)機(jī)接入、滲透率10 %風(fēng)機(jī)接入、滲透率20 %風(fēng)機(jī)接入三種情況進(jìn)行計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)情況下，DFIG 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值均為1.03，在發(fā)生故障的暫態(tài)過程中，DFIG 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓隨著滲透率的提高而上升，即TVSI 值隨著滲透率的提高而增大。

表2 不同滲透率下暫態(tài)電壓穩(wěn)定因子

3.3 考慮電氣距離的暫態(tài)電壓安全

考慮常規(guī)滲透率下故障點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)接入點(diǎn)的電氣距離對(duì)暫態(tài)安全裕度的影響，公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)選取節(jié)點(diǎn)39，故障發(fā)生地點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)8，節(jié)點(diǎn)24，節(jié)點(diǎn)29。從表3中可以看出，節(jié)點(diǎn)8，節(jié)點(diǎn)24，節(jié)點(diǎn)29 距離風(fēng)機(jī)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)39 的電氣距離呈遞增趨勢(shì)，其標(biāo)幺值分別為0.002 5，0.014 6，0.082 9。

表3 故障點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)接入點(diǎn)的電氣距離

從仿真系統(tǒng)中不同電氣距離下暫態(tài)電壓變化可知，隨著故障發(fā)生地點(diǎn)距離DFIG 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電氣距離的增加，DFIG 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓在暫態(tài)過程中有被抬高的趨勢(shì)。從系統(tǒng)中無功功率平衡的角度出發(fā)，暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組能夠提供的暫態(tài)無功功率能夠有效彌補(bǔ)系統(tǒng)的短時(shí)無功缺額，有效提高暫態(tài)電壓安全裕度。

4 結(jié)論

采用穩(wěn)態(tài)電路模型，根據(jù)暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組的恒電壓控制策略，推導(dǎo)雙饋風(fēng)機(jī)接入新英格蘭 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓安全裕度機(jī)理。

(1) 在分析雙饋風(fēng)機(jī)接入系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)電壓安全裕度影響時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足條件：雙饋風(fēng)機(jī)采用恒電壓控制方式；雙饋風(fēng)機(jī)具有良好的低電壓穿越特性，可認(rèn)為在故障期間和故障清除后將雙饋風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)無功功率源。

(2) 雙饋風(fēng)機(jī)接入雙機(jī)系統(tǒng)后，電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全裕度的水平與故障點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)接入點(diǎn)的電氣距離、風(fēng)電滲透率等因素有關(guān)，在一定條件下可以根據(jù)判斷規(guī)則，討論風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全裕度的影響，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行、電網(wǎng)調(diào)度控制具有一定的指導(dǎo)作用。