附加阻尼控制SVC在雙饋型風電場中的應用研究*

張明光，劉淼淼

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050)

風電場裝機容量的增加使其對接入系統(tǒng)的影響越來越大，更多的并網(wǎng)標準要求風電場具有電壓控制、無功調(diào)節(jié)、有功頻率控制等火電機組具有的控制功能[1-2]?；陔p饋電機的變速恒頻風電機組在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應用，其主要優(yōu)點是可以在變速恒頻運行的同時實現(xiàn)最大的風能捕獲，減小變流器容量，實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制。隨著風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比重的增大，接入電網(wǎng)電壓等級的提高，大量風電的接入改變了系統(tǒng)原有的潮流分布、線路傳輸功率以及整個系統(tǒng)的慣量，因此接入后系統(tǒng)運行的狀態(tài)會發(fā)生變化[3-5]。

風電機組接入后對電力系統(tǒng)的影響以及相關的穩(wěn)定性問題已有了相關的分析和研究。參考文獻[6]在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立基于風電機組的單機無窮大系統(tǒng)，分析了故障后風電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，得出了采用的輸電線路越長，基于異步電機的風電系統(tǒng)穩(wěn)定性就會越差的結(jié)論；參考文獻[7]對挪威電網(wǎng)風電接入后的系統(tǒng)阻尼的分析結(jié)果表明，風電場接入容量較小時不會對系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生影響，當風電場接入容量較大時，基于普通異步發(fā)電機的風電機組能夠增強系統(tǒng)阻尼，對故障后的系統(tǒng)穩(wěn)定性有利；參考文獻[8]通過建模分析，得出通過控制風電機組的槳距角可以達到抑制區(qū)域間功率振蕩的目的；參考文獻[9]通過將雙饋電機轉(zhuǎn)差信號引入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，建立了適用于雙饋異步電機勵磁附加控制的PSS模型，通過仿真分析驗證了所采取的方法能夠改善風電場的系統(tǒng)阻尼。

本文在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立變速恒頻雙饋風電機組模型、水輪發(fā)電機組模型以及附加阻尼控制SVC模型，對所建系統(tǒng)進行時域仿真，分析了兆瓦級雙饋型風電場接入后的系統(tǒng)功率、系統(tǒng)機電暫態(tài)過程以及附加阻尼控制SVC在提高系統(tǒng)遠距離輸電線路輸電能力、阻尼線路功率振蕩、增強系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的效果。結(jié)果表明，兆瓦級雙饋型風電場接入系統(tǒng)后會降低系統(tǒng)阻尼，導致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，采用附加阻尼控制SVC能夠有效抑制風電接入系統(tǒng)后的功率振蕩，增強系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 雙饋風電機組模型

為了能夠準確進行風電接入系統(tǒng)后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析，需要建立適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)分析的風電機組動態(tài)模型，使其能夠充分反映在電網(wǎng)大擾動下的相應動態(tài)特性。

1.1 風電機組軸系模型

為正確反映雙饋風電機組在電網(wǎng)大擾動下的響應特性，采用兩質(zhì)塊的軸系模型，一個質(zhì)塊表示風力機慣量，另一個質(zhì)塊表示發(fā)電機慣量。風力機與發(fā)電機通過齒輪箱連接。兩質(zhì)塊模型表示為[10]：

其中，HM、HG分別為風力機慣性常數(shù)和發(fā)電機慣性常數(shù)；DM、DG和DS分別為風力機、發(fā)電機和軸的阻尼系數(shù)，TM為風力機的機械轉(zhuǎn)矩，TG是作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的機械轉(zhuǎn)矩。

其中，KS為軸的剛度系數(shù)，PM為風輪的機械功率。

1.2 DFIG數(shù)學模型

雙饋電機的轉(zhuǎn)子運動方程包含在軸系方程中。

2 水輪發(fā)電機組模型

2.1 水輪機模型[11]

水輪機模型如式(4)所示。其中，μ為水輪機導水葉開度；Pm為水輪機輸出機械功率；Tw為水流時間常數(shù)，一般取 0.5 s～4 s。

2.2 水輪機調(diào)速器模型

在忽略死區(qū)和限幅作用后，對于水輪機調(diào)速系統(tǒng)建立以 ΔPm、Δμ 和 Δx2為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程：

其中，Kδ為水輪機調(diào)速器測速環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；TS為水輪機調(diào)速器中接力器時間常數(shù)；KmH為標幺值轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ki為調(diào)速器硬反饋放大倍數(shù)；Kβ為調(diào)速器軟反饋放大倍數(shù)；Ti為軟反饋時間常數(shù)。

2.3 水輪機勵磁系統(tǒng)模型

對于水輪機的勵磁系統(tǒng)，可以得到以 ΔUA、ΔEf和ΔUF為狀態(tài)變量的勵磁系統(tǒng)狀態(tài)方程：

其中，ΔUt為勵磁系統(tǒng)電壓測量環(huán)節(jié)輸出電壓；ΔUA為勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出；ΔUF為勵磁系統(tǒng)負反饋環(huán)節(jié)(勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器)的輸出；ΔEf為勵磁系統(tǒng)輸出電壓。

2.4 附加阻尼控制SVC模型

如圖1所示，附加阻尼控制一般由放大環(huán)節(jié)、復位環(huán)節(jié)、相位補償（校正）環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)組成，其輸出作為SVC電壓調(diào)節(jié)器的附加控制信號。復位環(huán)節(jié)是一個高通濾波器，作用是使阻尼控制環(huán)節(jié)在t→∞(p→0)時的輸出為零，屏蔽阻尼控制環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入；相位補償環(huán)節(jié)用來提供必要的超前-滯后特性以補償阻尼控制環(huán)節(jié)輸入(ΔP)與SVC接入點母線電壓的相位滯后。本文中采用2個一階環(huán)節(jié)，在實際中也可以用更多的一階環(huán)節(jié)或二階環(huán)節(jié)，以達到理想的相位補償效果；限幅環(huán)節(jié)主要限制阻尼控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生附加控制電壓的調(diào)節(jié)幅度，避免超調(diào)。本文選取umax=0.15(umin=-0.15)，即限幅環(huán)節(jié)將阻尼控制環(huán)節(jié)輸出調(diào)節(jié)量的幅值范圍限制為±0.15 p.u.。

其中，Uref為參考電壓、Umeas為節(jié)點測量電壓、Ucr為輔助阻尼控制輸入信號、BSVC為SVC電納參考值，這里通過加入附加控制信號改變固定的電壓參考值以控制端電壓的變化，Uref和Ucr相加作為控制器的有效參考值，進而使得SVC的輸出電流圍繞工作點波動，使接入點端電壓按照期望的方式變化，達到增加系統(tǒng)阻尼的目的[12]。

3 風電場及系統(tǒng)模型

風電場接入系統(tǒng)的方式如圖2所示，仿真系統(tǒng)以某區(qū)域電網(wǎng)為依據(jù)進行等值處理，G1、G2為系統(tǒng)等值機，系統(tǒng)G1額定容量1 000 MVA，系統(tǒng)G2額定容量5 000 MVA。

系統(tǒng)G1、G2為具有原動機、勵磁系統(tǒng)控制功能的水輪發(fā)電機組，同步發(fā)電機采用六階模型。等值負荷LD1和LD2為恒阻抗負荷，母線B2處采用靜止無功補償器(SVC)以滿足風電場接入后和故障期間系統(tǒng)電壓的要求。風電場裝機容量為150 MW，采用100臺單機容量為1.5 MW的雙饋風電機組進行系統(tǒng)等值，機組采用恒端電壓控制方式。

時域仿真分析中，將風電場接入系統(tǒng)后，分析對比使用普通SVC和阻尼附加控制SVC兩種情況下的功率的變化和系統(tǒng)G1、G2發(fā)電機的轉(zhuǎn)子動態(tài)過程。然后通過設置短路故障，故障位置考慮設在母線B1和B2之間輸電線靠近母線B1的一端，故障在0.02 s時刻發(fā)生，經(jīng)過4個工頻周期后在0.1 s時刻消失，考慮系統(tǒng)機組在使用附加阻尼控制SVC情況下的動態(tài)過程，分析其對風電場接入后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

4 仿真分析

4.1 風電機組接入前后的時域仿真

對比分析風電場接入系統(tǒng)后，使用普通SVC和附加阻尼控制SVC兩種情況下，系統(tǒng)發(fā)電機G1有功功率、系統(tǒng)發(fā)電機G1、G2轉(zhuǎn)子相角差、G1轉(zhuǎn)子角速度的變化。

4.1.1 風電場接入后，使用普通SVC

由圖3、圖4可以看出在系統(tǒng)配置普通SVC情況下，發(fā)電機G1有功功率出現(xiàn)振蕩，并且振蕩的幅值逐步增大，G1、G2轉(zhuǎn)子相角差也出現(xiàn)在 43°～48°之間接近于等幅的振蕩，發(fā)電機G1轉(zhuǎn)子角速度振蕩增加，說明風電場的接入激起了系統(tǒng)振蕩。

4.1.2 風電場接入后，使用附加阻尼控制SVC

由圖5、圖6可知在采用附加阻尼控制SVC代替普通SVC后，G1有功功率和G1、G2轉(zhuǎn)子相角差能夠基本保持不變，系統(tǒng)振蕩得到有效的阻尼和抑制作用，穩(wěn)定性得到加強。

4.2 系統(tǒng)發(fā)生故障時的時域仿真

以系統(tǒng)中發(fā)生后果最為嚴重的三相短路接地故障為例，分析 G1有功功率和 G1、G2轉(zhuǎn)子相角差在采用附加阻尼控制SVC情況下的動態(tài)響應，其中設置故障時間在0.02 s時刻發(fā)生，經(jīng)歷4個周波后在0.1 s時刻消失。

通過設置三相短路接地故障，分析附加阻尼控制SVC對含風電系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。由圖7、圖8可以看出采用阻尼附加控制SVC能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障后很快地使轉(zhuǎn)子相角差和有功功率趨于恒定，改善了系統(tǒng)阻尼，增強了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果證明，即便在恒定風速情況下(風電場本身無擾動)，基于雙饋感應電機的風電場接入系統(tǒng)以后，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果采用普通SVC，經(jīng)過一段時間的振蕩后系統(tǒng)仍會失去穩(wěn)定，甚至崩潰。以功率偏移作為輸入量的帶有阻尼附加控制功能的SVC兼有抑制系統(tǒng)振蕩和提供系統(tǒng)電壓支持的雙重作用，能夠增強風電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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