不同控制策略下含直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定研究

趙海嶺，王維慶，姚秀萍，常喜強(qiáng)

(1.新疆電力公司昌吉電業(yè)局，新疆 昌吉 831100;2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟、最具開(kāi)發(fā)規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展的可再生能源利用形式［1］。大規(guī)模地開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能成為世界新能源領(lǐng)域的一大重要研究課題。然而在電網(wǎng)接納不斷增加的風(fēng)電穿透功率時(shí)，致使風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題逐漸凸顯。

變速永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)中全功率變頻器的采用，使得該風(fēng)機(jī)有功與無(wú)功可控，擁有多種靈活控制策略［2］，具有的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越凸出，在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中占據(jù)比例越來(lái)越高，大規(guī)?；谥彬?qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，在基于直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)弱聯(lián)系時(shí)，其對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響值得研究。

電壓失穩(wěn)的根源在于線路輸送功率與負(fù)荷所需的功率無(wú)法平衡，最終導(dǎo)致電壓崩潰［3］。文獻(xiàn)［4－6］對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行了仿真，其中文獻(xiàn)［5］主要是分析風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率隨風(fēng)速間歇性和波動(dòng)性變化對(duì)所接入地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響。風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)于含風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、風(fēng)電注入功率不定與其本身無(wú)功特性使得與傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題有著機(jī)理上［7－9］的一致。國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量細(xì)致的研究。文獻(xiàn)［10］分析了隨風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷增加對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的不利影響，若系統(tǒng)不能提供足夠的無(wú)功支持，將會(huì)導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)電壓瓦解，采用連續(xù)潮流計(jì)算得出P－V曲線，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)關(guān)鍵母線電壓與風(fēng)場(chǎng)不同出力水平的關(guān)系進(jìn)行了詳盡分析，并對(duì)某些節(jié)點(diǎn)加與不加無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)［11－13］通過(guò)得出風(fēng)場(chǎng)的不同出力下系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，采用描點(diǎn)法繪制P－V曲線，詳細(xì)研究了含風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題。

針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不同控制策略進(jìn)行研究，首先建立了永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值，通過(guò)連續(xù)潮流計(jì)算，繪制風(fēng)電場(chǎng)公共接入點(diǎn)(point of common coupling，PCC)、電網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)的PV及VQ曲線，針對(duì)直驅(qū)機(jī)組變頻器的完善的控制技術(shù)，對(duì)不同控制策略下含直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。

1 風(fēng)電電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定機(jī)理分析

風(fēng)電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的機(jī)理是采用連續(xù)潮流計(jì)算的方法［14］，研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)在小擾動(dòng)情況下的風(fēng)電電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)是風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功功率特性、電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)程度、電網(wǎng)或風(fēng)電機(jī)組本身是否能夠在風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行中提供足夠的無(wú)功電壓支持，以便在小擾動(dòng)情況下保證機(jī)組與電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。圖1是單臺(tái)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大系統(tǒng)的接線連接圖，采用較為廣泛的是PV及QV曲線分析法。

圖1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)連接無(wú)窮大系統(tǒng)電壓分析簡(jiǎn)圖

2 直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在dq坐標(biāo)系下，建立的永磁同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為［15］

式中，id和iq分別為發(fā)電機(jī)的d軸與q軸電流;Ld和Lq分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感;Ra為定子電阻;ωe為電角頻率;ωe=npωg，np為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);ψ0為永磁體的磁鏈;ud為ug的d軸分量;uq則為ug在q軸的分量。定義q軸的反電勢(shì)eq=ωeψ0，d軸的反電勢(shì)為ed=0，假設(shè)發(fā)電機(jī)d軸與q軸電感相等，即Ld=Lq=L，則式(2)可以寫(xiě)成式(3)。

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

若Ld=Lq=L，則式(4)可以簡(jiǎn)化為

充分發(fā)揮病蟲(chóng)害專業(yè)化防治服務(wù)組織的作用，適時(shí)組織開(kāi)展應(yīng)急防治，提高防治效率、效果和效益，解決小麥赤霉病預(yù)防控制窗口期短、時(shí)效性強(qiáng)等問(wèn)題。

2.2 直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)模型處理

根據(jù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變頻器控制策略的不同，當(dāng)直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)(即該風(fēng)電場(chǎng)全部由同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，下同)恒功率因數(shù)控制方式時(shí)，其等效于火電機(jī)組發(fā)有功的同時(shí)，吸收或發(fā)出一定的無(wú)功，此時(shí)在潮流計(jì)算中將風(fēng)電場(chǎng)模型處理為PQ節(jié)點(diǎn)［16］，同理，直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)采取恒電壓控制方式時(shí)，將風(fēng)電場(chǎng)模型處理為PV節(jié)點(diǎn)。則含風(fēng)電場(chǎng)的等值系統(tǒng)見(jiàn)圖2。圖2中，平衡點(diǎn)恒定電壓標(biāo)幺值U2∠0°。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)等值系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)變壓器jXb升高電壓，經(jīng)輸電線路Z2=R2+jX2接入系統(tǒng);風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)電壓為U1∠δ。

3 算例分析

3.1 新疆某地區(qū)電網(wǎng)概況

新疆中部地區(qū)風(fēng)力資源較為豐富，目前在該地區(qū)建成的風(fēng)電場(chǎng)一期與二期共包括66臺(tái)單機(jī)1.5 MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘繛?9 MW。該地區(qū)電網(wǎng)處在電網(wǎng)的中部，是新疆主電網(wǎng)的樞紐，該地區(qū)主要電源為吐魯番電廠，將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)等值處理為兩臺(tái)較大直驅(qū)同步機(jī)組，風(fēng)機(jī)出口經(jīng)箱式變壓器(690 V/35 kV)升壓，集電線路采取直埋電纜與架空線混合的形式送至風(fēng)電場(chǎng)升壓主變壓器(35/110 kV)，升壓后經(jīng)過(guò)50 km單回輸電線路(LGJ－200)送至110 kV小草湖變電站。吐魯番地區(qū)電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)的地理接線圖如圖3所示。

圖3 直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)與某地區(qū)電網(wǎng)的地理接線圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

本算例選取吐魯番地區(qū)電網(wǎng)2008年冬大運(yùn)行方式，風(fēng)電場(chǎng)接入小草湖變電站，在整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷緩慢增加時(shí)，以風(fēng)機(jī)機(jī)端、風(fēng)場(chǎng)升壓站、風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)、發(fā)電廠母線和中樞變電站母線以及電網(wǎng)末端神泉變電站母線電壓作為電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制了吐魯番電廠220 kV母線、托克遜110 kV母線及神泉變電站110 kV母線作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)母線，分別就以下不同算例做連續(xù)潮流計(jì)算。上述風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后，在全網(wǎng)負(fù)荷成倍增長(zhǎng)的方式下，繪制了重要節(jié)點(diǎn)的PV曲線，以分析系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，如圖4所示。圖4中，P為風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率;U為節(jié)點(diǎn)電壓。

1)基于直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采用恒功率因數(shù)(cosφ =1)控制方式

圖4 風(fēng)電場(chǎng)恒功率因數(shù)1控制模式下的各變電站P－V曲線

圖5 風(fēng)電場(chǎng)恒功率因數(shù)1控制模式下的并網(wǎng)點(diǎn)V－Q曲線

表1 風(fēng)電場(chǎng)恒功率因數(shù)1控制模式下風(fēng)電場(chǎng)出力與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系表

風(fēng)電場(chǎng)的功率注入改變了地區(qū)電網(wǎng)各變電站之間的潮流流向，使各線路傳輸功率大小發(fā)生改變，各變電站母線電壓的變化趨勢(shì)是先升后降，但總體均未出現(xiàn)電壓越限的情況。在風(fēng)電場(chǎng)出力水平由0逐漸增加到49 MW時(shí)，其為風(fēng)電接入地區(qū)的負(fù)荷供電，減少了由吐魯番主網(wǎng)饋送至風(fēng)電接入地區(qū)的傳輸功率，減少了線路的無(wú)功損耗，使各變電站母線電壓有所上升。但隨著風(fēng)電場(chǎng)的出力不斷增大，風(fēng)電接入地區(qū)與吐魯番電網(wǎng)潮流反向，風(fēng)電接入地區(qū)開(kāi)始由受端系統(tǒng)變?yōu)樗投讼到y(tǒng)，隨著線路傳輸功率的不斷增加，無(wú)功損耗不斷增大，最終引起各站電壓水平出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，由表1也可以看出。

表2 風(fēng)電場(chǎng)恒功率因數(shù)1控制模式下風(fēng)電場(chǎng)出力與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功裕度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

由圖5風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的V－Q曲線可以看出，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力為49.5 MW時(shí)，其并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功裕度為80 Mvar，如表2所示。但隨著風(fēng)電場(chǎng)注入功率的不斷增大，并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功裕度呈逐漸減少趨勢(shì)。在風(fēng)電出力為99 MW時(shí)，同樣由表2其無(wú)功裕度僅為13 Mvar左右。這同樣說(shuō)明隨著風(fēng)電場(chǎng)注入功率的增大，線路消耗的無(wú)功功率增加，系統(tǒng)無(wú)功功率匱乏。綜上所述，從P－V曲線及對(duì)應(yīng)的V－Q曲線可以得出一致的結(jié)論:隨著風(fēng)電場(chǎng)注入功率的增加，地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度減小。

2)基于直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采用恒功率因數(shù)(cosφ =0.99滯相)控制方式

將風(fēng)場(chǎng)內(nèi)所有的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)設(shè)置為恒功率因數(shù)滯相0.99運(yùn)行，所計(jì)算出的各變電站P－V變化曲線如圖6。圖7為對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的V－Q曲線。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖7 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的并網(wǎng)點(diǎn)V－Q曲線

由P－V曲線可以看出，當(dāng)所有直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采取恒定功率因數(shù)滯相0.99運(yùn)行時(shí)，各變電站的電壓總體也是先升后降。但是與恒定功率因數(shù)1的計(jì)算相比，由于滯相運(yùn)行后風(fēng)電機(jī)組發(fā)出有功的同時(shí)，也在發(fā)出一部分無(wú)功功率，導(dǎo)致部分變電站母線電壓超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓上限。與之對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)V－Q曲線也得出了一致的結(jié)論:和恒定功率因數(shù)1方式相比，在風(fēng)電場(chǎng)出力為99 MW時(shí)，恒定功率因數(shù)1運(yùn)行時(shí)無(wú)功裕度為13 Mvar，功率因數(shù)滯相0.99運(yùn)行時(shí)，由表3可以得出，無(wú)功裕度增大為38 Mvar，電網(wǎng)的無(wú)功裕度充足，導(dǎo)致部分母線電壓越限。因此在實(shí)際電網(wǎng)出現(xiàn)此方式運(yùn)行時(shí)，不建議直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采取滯相功率因數(shù)運(yùn)行。

表3 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)滯相0.99控制模式下風(fēng)電場(chǎng)出力與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功裕度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3)基于直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采用恒功率因數(shù)(cosφ = －0.99進(jìn)相)控制方式

將風(fēng)場(chǎng)內(nèi)所有的永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)設(shè)置為恒功率因數(shù)進(jìn)相0.99運(yùn)行，圖8為計(jì)算出的各變電站P－V變化曲線，從圖8可以看出，隨著風(fēng)電場(chǎng)有功出力增加，各變電站母線電壓幅值逐漸降低，但總體均在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，只是在風(fēng)電場(chǎng)出力大于80 MW時(shí)，機(jī)端與風(fēng)電場(chǎng)升壓站電壓出現(xiàn)越下限的情況。

圖9為與之對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的V－Q曲線，風(fēng)電場(chǎng)注入系統(tǒng)功率越大，其無(wú)功裕度越小，在風(fēng)電場(chǎng)出力水平為69 MW時(shí)，其無(wú)功裕度約為40 Mvar，在出力水平相同時(shí)，恒功率因數(shù)1的無(wú)功裕度為近60 Mvar，由此可見(jiàn)，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)相功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，其無(wú)功功率裕度減少了約20 Mvar。這是因?yàn)?，進(jìn)相運(yùn)行使直驅(qū)風(fēng)機(jī)在發(fā)出有功的同時(shí)，吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率，導(dǎo)致整體電壓偏低。

4)基于直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采用恒電壓控制方式

圖8 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖9 風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的并網(wǎng)點(diǎn)V－Q曲線

圖10 風(fēng)電場(chǎng)恒電壓控制下各變電站P－V曲線

由圖10的P－V曲線明顯可以看出，當(dāng)直驅(qū)機(jī)組采取恒電壓控制方式運(yùn)行時(shí)，直驅(qū)機(jī)組機(jī)端電壓始終為1.0 p.u.。風(fēng)電場(chǎng)注入系統(tǒng)功率在100 MW以內(nèi)時(shí)，地區(qū)電網(wǎng)各變電站母線電壓均在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)越上限或越下限的情況。與之前的恒定功率因數(shù)下的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平相比，顯而易見(jiàn)，基于直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)采取恒電壓控制方式的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性要優(yōu)于恒定功率因數(shù)控制方式下的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

圖11 風(fēng)電場(chǎng)恒電壓控制下并網(wǎng)點(diǎn)的V－Q曲線

從圖11并網(wǎng)點(diǎn)的V－Q曲線也可以看出，風(fēng)電場(chǎng)出力水平分別為15 MW、69 MW、99 MW時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)無(wú)功裕度相差不大。這是由于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變頻器采取恒電壓的控制策略。在實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電場(chǎng)相當(dāng)于電網(wǎng)中的PV節(jié)點(diǎn)，隨著機(jī)組出力的增加，當(dāng)機(jī)端電壓或電網(wǎng)電壓有變化時(shí)，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率可以在較大范圍內(nèi)變化調(diào)整，以保證機(jī)組端電壓始終為1.0 p.u.，使電網(wǎng)電壓近似維持不變。這也是恒電壓控制方案下所得出的風(fēng)電電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定性好的原因。

4 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)穿透功率的增加使其對(duì)電網(wǎng)的影響逐漸擴(kuò)大。尤其是在風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)弱聯(lián)系時(shí)，其對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響不容忽視。通過(guò)調(diào)整直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的不同控制策略，其對(duì)含直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出的結(jié)論如下。

①風(fēng)電場(chǎng)在處于低出力水平時(shí)，可以較好地改善地區(qū)電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。但隨著風(fēng)電場(chǎng)注入功率的增加，線路的無(wú)功損耗增大，致使風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)需要從地區(qū)主網(wǎng)受入大量無(wú)功功率，電網(wǎng)無(wú)功裕度減少，最終導(dǎo)致電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性降低。

②基于直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)采取恒功率因數(shù)與恒電壓兩種調(diào)控方案相比，恒電壓控制方式下含直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定性要優(yōu)于恒功率因數(shù)控制方式下的。

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