田益名 魏立明* 郭思成

(1：吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院，長春 130118； 2：北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)，北京 100032)

1 風(fēng)電場并網(wǎng)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

異步發(fā)電機在系統(tǒng)的應(yīng)急過程中消耗無功功率和行為類似于異步電動機，從而降低了局部電網(wǎng)電壓穩(wěn)定[1-3].目前變速風(fēng)力機結(jié)合配備了雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)的組合因為其先進的無功電壓控制能力，被應(yīng)用地越來越廣泛.雙饋式感應(yīng)發(fā)電機利用電力電子變換器能夠調(diào)節(jié)自己的無功功率在一個給定的功率因數(shù)或控制電網(wǎng)電壓情況下.然而，由于PWM(脈沖寬度調(diào)制)轉(zhuǎn)換變換能力有限，雙饋發(fā)電機的電壓控制能力不能跟上同步發(fā)電機.當(dāng)雙饋發(fā)電機的電壓控制要求超出能力時，電壓穩(wěn)定性在電網(wǎng)中也受到影響.風(fēng)能對振蕩阻尼的影響，可通過用定速或者變速產(chǎn)生電能來代替系統(tǒng)中同步發(fā)電機產(chǎn)生的電能解決.由于風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)，電壓模式也會受到影響.不同的風(fēng)電集成水平和替代電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性限制、動態(tài)負荷建模和不同問題的故障分析也已被研究.并且負荷特性與電壓不穩(wěn)定是密切相關(guān).

大型風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)互聯(lián)的問題也被密切關(guān)注，同時有人也提出可能的解決方案：使用交流和直流傳輸技術(shù)或者柔性交流傳輸系統(tǒng)儲能裝置.研究大型雙饋風(fēng)電場的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，需建立完整的發(fā)電機模型，但在最常見的暫態(tài)仿真軟件中缺少此發(fā)電機模型.也說明當(dāng)某一個同步發(fā)電機由雙饋型風(fēng)力發(fā)電機當(dāng)所取代，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性可以提高到一定程度.當(dāng)故障電流超過額定值，短路轉(zhuǎn)子的影響在本文中不考慮.然而，在大的干擾下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)的表現(xiàn)為增加轉(zhuǎn)子繞組的鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機.在系統(tǒng)中，人類目前需要適應(yīng)越來越大的風(fēng)能并且面臨著其對系統(tǒng)運行的影響，還有分散風(fēng)電加入的挑戰(zhàn).現(xiàn)在界內(nèi)將短期的電壓穩(wěn)定性研究作為一個主要關(guān)注的問題，先已有對輸電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時電力電網(wǎng)的響應(yīng)進行評估研究.大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)問題中長線路和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中最重要的挑戰(zhàn)包括電壓控制、無功功率管理、動態(tài)功率波動的穩(wěn)定性，和并網(wǎng)時的干擾行為.變速風(fēng)力發(fā)電廠的解耦特性確保當(dāng)安裝在相同的位置時其穩(wěn)定性能可以超過傳統(tǒng)相同等級的同步發(fā)電機[4-5].

2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機的等效電路如圖1所示，在普通感應(yīng)電機等效電路的轉(zhuǎn)子電路中加入電壓源后就成為了雙饋電機的等效電路.

在知道風(fēng)速為何值的條件下，借助風(fēng)速與功率之間的關(guān)系式，可以求出由風(fēng)機產(chǎn)生的總電能.若不計及極小的損耗，它就是傳輸進入電力系統(tǒng)的總值，即總的有功功率Pe.也可將Pe拆分成兩個物理量，即Ps和Pr，其中Ps是由風(fēng)機定子側(cè)產(chǎn)生的有功功率；Pr為風(fēng)力機轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的有功功率，但Pr可正可負，這取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的差值.若差值為正，即轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，則Pr為正，代表轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)出有功；反之亦然.此類發(fā)電機的無功功率也擁有與有功功率相似的產(chǎn)生方式，也分為定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè).此類發(fā)電機的運行方式不只一種，既可以選擇讓其保持電壓為固定值的恒電壓運行，也可維持其定子側(cè)的功率因數(shù)不變而運行在恒功率因數(shù)模式[6].

圖1 雙饋機的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of doubly fed machine

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制規(guī)律Fig.2 Rotor speed control law

因為與電抗相比，電阻實在是太小，以至于忽略電阻不會對計算結(jié)果產(chǎn)生很大的不利影響[7]，計算轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出的有功功率的表達式為：

(1)

將Pr公式代入，則風(fēng)電機組對系統(tǒng)做的有功功率為：

(2)

其中，求取滑差s的前提是需要先求解出風(fēng)機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度.分段函數(shù)對應(yīng)的圖形如圖2所示.若發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速為ω1，轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度為ω，則s=(ω1-ω)/ω1[7].

(3)

當(dāng)定子側(cè)的功率因數(shù)恒定[3-4]，設(shè)功率因數(shù)為cosφ，則Qs=Pstanφ.又因為變流器基本上不參與功率交換，所以就將風(fēng)機的無功近似為定子繞組的無功，即:

Qe=Qs=Pstanφ

(4)

由式(2)和(4)可以得到：

(5)

由(4)和(5)可以解得：

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

但因定子側(cè)無功功率受到定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和變流器最大電流限制，故需要考慮各種限制條件[8].當(dāng)風(fēng)電機組運行在恒功率因數(shù)的模式下，無功功率就僅僅是機端電壓的函數(shù)了，與其他物理量無關(guān).如果要將風(fēng)電場看作為PV節(jié)點，也就是機組進入恒電壓運行模式，雖然成為PV節(jié)點會使計算便捷一些，但此時會受到很多條件的約束，也帶來一定困難.

3 潮流計算中雙饋風(fēng)力發(fā)電機模型

3.1 當(dāng)雙饋風(fēng)電機處于恒功率因數(shù)方式運行

受轉(zhuǎn)子變流器最大電流限制而形成的運行范圍為：

(10)

其中，Irmax為轉(zhuǎn)子變流器最大電流限制值.

計算流程如下:

(1) 設(shè)定風(fēng)速，設(shè)定恒定運行電V.

(2) 根據(jù)風(fēng)速功率曲線計算得到雙饋風(fēng)力發(fā)電機的有功功率Pe.

(3) 將Pe，V以PV節(jié)點代入系統(tǒng)潮流計算中，得到風(fēng)電場母線注入無功功率Qe.

(4) 根據(jù)式(2)計算Ps.

(5) 將Ps，Qe，V代入式(10)檢查是否越限.

3.2 當(dāng)雙饋風(fēng)電機處于恒電壓方式運行

計算流程如下:

(1) 設(shè)定風(fēng)速，設(shè)定風(fēng)電場電壓初值為V.

(2) 根據(jù)風(fēng)速功率曲線算出雙饋風(fēng)力發(fā)電機的有功功率Pe.

(3) 根據(jù)風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速控制規(guī)律式(2)～式(7)，計算滑差s.

(4) 根據(jù)式(2)～式(10)計算出雙饋風(fēng)力發(fā)電機的無功功率Qe.

(5) 算出Pe，Qe后，將該風(fēng)電場作為PQ節(jié)點代入系統(tǒng)潮流計算中，得到風(fēng)電場母線電壓V′.

(6) 比較V和V′，若V′≠V，則令V=0.5(V+V′)，返回步驟(4)繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)到(5).直到兩次所得電壓之差在規(guī)定誤差范圍之內(nèi)，即|V′-V|<ε，ε=1×10-5.

這種模型雖然較為精確，但也是分兩步迭代，迭代次數(shù)多，計算量大，使得計算速度較慢.

4 仿真分析

本文采用的是IEEE14節(jié)點系統(tǒng)，首先進行有風(fēng)電場并網(wǎng)的牛頓拉夫遜潮流計算，各節(jié)點電壓圖，相角圖，有功功率圖以及無功功率圖.然后進行連續(xù)潮流法仿真，得到功率變化最大值以及各個節(jié)點PV圖，找出電壓最薄弱的負荷點并增加無功補償裝置，重新進行潮流計算，分析結(jié)果[14].利用PSAT進行編程計算仿真，通過式(10)等得出系統(tǒng)參數(shù)如下.風(fēng)電場接入系統(tǒng)線路參數(shù)為12.6+j24.96 .忽略尾流效應(yīng)，既有每臺風(fēng)電機組的切入、切出、額定風(fēng)速均相同，額定電壓為690.

運行連續(xù)潮流法，可得到各個節(jié)點相角圖和PV圖.以13節(jié)點PV圖為例，見圖3.

圖3 母線13未加無功補償PV圖，13節(jié)點補償后PV曲線Fig.3 Bus 13 without reactive compensation ，PV curve after node compensation

其中，13節(jié)點也恰好是節(jié)點電壓較低的節(jié)點，因此考慮在13節(jié)點處增加無功補償裝置，提高穩(wěn)定裕度.本文為13節(jié)點增加無功補償裝置SVC為例.再次運行連續(xù)潮流法，得到此時13節(jié)點PV圖[15].

5 結(jié)論

本文針對大型風(fēng)電場并網(wǎng)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響進行分析和研究，使用連續(xù)潮流法后，可繪制PV圖，從PV圖中可知仍能保持節(jié)點電壓穩(wěn)定的負荷功率最大值，并比較各節(jié)點PV圖，可知整個系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié).從PV圖中可直觀看到，通過給薄弱節(jié)點增設(shè)無功補償裝置SVC，可使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度得到提高，可得知無功功率會大大影響節(jié)點電壓.

[1] 劉春曉.大型風(fēng)電場對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[2] 王海超，周雙喜.含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流計算的聯(lián)合迭代方法及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29(18):59-62.

[3] 顧承紅，艾芋.基于改進內(nèi)點法的含風(fēng)電場的系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算[J].中國電力，2007, 40(1):89-93.

[4] 張國強，張伯明.考慮風(fēng)電接入后二次備用需求的優(yōu)化潮流算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2009,33(8):25-28.

[5] 胡衛(wèi)紅，王瑋，王英林.電力系統(tǒng)潮流計算中風(fēng)電場節(jié)點的處理方法[J].華北電力技術(shù)，2006,10(8):12-15.

[6] Ali Fazli,Mehrdad Fazli,Sarvar Hesami,Abbas Seif.The Detection of VFC and STATCOM faults in Doubly Fed Induction Generator[J].Environmentand Electrical Engineering,2012,2(10):161-165.

[7] 雷亞洲，王偉勝，印永華.一種靜態(tài)安全約束下確定電力系統(tǒng)風(fēng)電準(zhǔn)入功率極限的優(yōu)化方法[J].中國電機工程學(xué)報，2001,21(6):25-28.

[8] 雷亞洲，王偉勝，印永華.基于機會約束規(guī)劃的風(fēng)電穿透功率極限計算[J].中國電機工程學(xué)報，2002,22(5):32-35.

[9] 施剛，蔡旭，程孟增.孤立系統(tǒng)的風(fēng)電接入容量及低電壓穿越特性的仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2010,34(16):87-91.

[10] 穆星星.大型風(fēng)電場并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響及改善措施研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.

[11] 遲永寧，關(guān)宏亮，王偉勝.SVC與槳距角控制改善異步機風(fēng)電場暫態(tài)電 壓穩(wěn)定性[J].電力系統(tǒng)自動化，2007,31(3):95-100.

[12] 譚謹(jǐn),王曉茹,李龍源.含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014(3):16-19.

[13] 劉世林,文勁宇,孫海順,程時杰.風(fēng)電并網(wǎng)中的儲能技術(shù)研究進展[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013，41(23)：149-150.

[14] 張曦,張寧,龍飛,彭光斌,詹紅霞,黃培東.分布式電源接入配網(wǎng)對其靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響多角度研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2017，45(6)：123-125.

[15] 李菁,鄭濤,趙裕童,魏旭輝,王增平,劉輝,陳璨,吳林林.雙饋風(fēng)電短路電流特性對距離保護的影響分析[J].電力系統(tǒng)保護與 控制,2017，45(6):38-43.