UPFC提高雙饋風(fēng)電機組穩(wěn)定性的動態(tài)仿真分析

吳 寒 ，王維慶 ，王海云 ，饒成誠 ，劉 凱

（1. 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830047；2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；3. 周口供電公司，河南 周口 466000）

前言

風(fēng)電場的穩(wěn)定性日益成為制約風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。風(fēng)力機脫網(wǎng)將對電網(wǎng)造成嚴重后果，這就要求并網(wǎng)風(fēng)電機組具有低電壓穿越能力(LVRT)[1]。文獻[2]在系統(tǒng)故障期間投入撬棒電路(Crowbar)，對雙饋風(fēng)電機組(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進行短接保護，但這使得雙饋風(fēng)力機運行在異步發(fā)電機工況，并從電網(wǎng)吸收大量無功功率。文獻[3]通過DFIG網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)并聯(lián)運行對并網(wǎng)系統(tǒng)進行無功補償。

新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，為提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力提供了有效途徑[4]。統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)串聯(lián)側(cè)變流器能夠改變串聯(lián)變壓器兩端電壓值控制線路潮流，并聯(lián)側(cè)變流器能夠改變發(fā)出功率控制節(jié)點電壓[5]，因此UPFC可將風(fēng)電場視作無功負荷，并提供無功補償與電壓控制，提高風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力。

針對短路故障期間，雙饋風(fēng)電機組利用自身背靠背變流器控制電磁轉(zhuǎn)矩和無功功率方案不足以維持風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行的現(xiàn)狀，并且撬棒保護電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉(zhuǎn)矩的波動問題，提出了用統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)提高雙饋風(fēng)電機組的故障穿越能力。

文獻[6]應(yīng)用仿真軟件EMTP對UPFC進行動態(tài)建模仿真。文獻[7]對UPFC并聯(lián)無功補償結(jié)合串聯(lián)補償功能進行了仿真分析。

本文以雙饋風(fēng)力發(fā)電機和UPFC的數(shù)學(xué)模型及控制策略為基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)分析軟件DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗證了本文所提方案的有效性。

1 故障時DFIG保護及控制系統(tǒng)原理

圖1為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機在故障運行狀況下的保護與控制原理框圖。

圖1 雙饋感應(yīng)電機綜合控制系統(tǒng)示意圖

圖中RSC為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，GSC為電網(wǎng)側(cè)變流器。正常運行時，槳距角為 0°，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速或者有功超過額定值時，增大槳距角可以限制雙饋風(fēng)電機組的有功功率。圖中對于變流器的無功控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器Qref根據(jù)穩(wěn)態(tài)運行時，接入點無功功率交換的程度要求設(shè)定為不變值，電網(wǎng)側(cè)變流器Qref設(shè)定為零，正常工作時轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)間不進行無功交換，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流超過設(shè)定值時，撬棒電路投入運行，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短路，電網(wǎng)側(cè)變流器以及定子側(cè)仍與電網(wǎng)連接。

1.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器暫態(tài)電壓控制器模型

雙饋機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電壓控制模型

該電壓控制器根據(jù)給定電網(wǎng)電壓參考值與短路故障期間電網(wǎng)電壓實測值相比較，將誤差信號送入PI控制器，以此確定雙饋風(fēng)電機組定子發(fā)出無功的參考值。采用此暫態(tài)電壓控制策略，由于暫態(tài)電壓控制器作用，轉(zhuǎn)子電流幅值與未采用電壓控制時相比有所增加，因而對故障時風(fēng)電機組穩(wěn)定運行和電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)有較明顯的作用。

電網(wǎng)故障時，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓控制器在電壓跌落以及故障后電壓恢復(fù)期間發(fā)出無功功率來參與系統(tǒng)的暫態(tài)電壓控制，確保雙饋風(fēng)電機組的機端電壓能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定值。

2.2 故障期間槳距角控制模型

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，雙饋風(fēng)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩將下降，而此時風(fēng)力機的機械功率保持不變，使得機械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，這時風(fēng)電機組超速。所以需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳距角減小風(fēng)能捕獲，進而減小風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速，改善其暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，槳距角控制框圖見圖3。

圖中，電網(wǎng)側(cè)額定參考有功功率與短路故障期間電網(wǎng)實測有功相比較，將誤差信號ΔP=-送入PI控制器，以此確定槳距角

參考值θref，將該參考值與實測槳距角θ相比較，將得到誤差信號Δθ送入伺服機制系統(tǒng)，其中Tservo為伺服時間常數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，槳距角控制系統(tǒng)立即啟動，減小風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率和機械轉(zhuǎn)矩，阻止風(fēng)電機組超速；同時風(fēng)電機組的有功功率降低，可以使得發(fā)電機發(fā)出更多的無功功率維持電網(wǎng)電壓。

2 UPFC工作原理及其控制策略

圖4為UPFC工作原理圖，UPFC裝置可以看成STATCOM和SSSC裝置組成。兩個電壓型變流器共用一個電容器，從而使SSSC和STATCOM發(fā)生耦合。

圖4 UPFC原理示意圖

由圖可知，直流側(cè)電容上儲存的電場能量的變化率：

并聯(lián)側(cè)以及串聯(lián)側(cè)變流器的電流和電壓關(guān)系為：

式中：Vdc為直流電容電壓；和，和分別為并聯(lián)變流器側(cè)和串聯(lián)變流器側(cè)的電流和電壓；阻抗ZC和ZD分別為并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)的等值阻抗。

UPFC為無源元件，在穩(wěn)態(tài)時必須保持電容電壓為恒定常數(shù)，即：

UPFC穩(wěn)態(tài)運行向量圖見圖5，為分析的方便，忽略阻抗ZD的作用。

圖5 UPFC穩(wěn)定運行向量圖

3 仿真系統(tǒng)及算例分析

3.1 仿真電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文在DIgSILENT/PowerFactory14.0中建立的仿真系統(tǒng)如圖6所示，風(fēng)電場(裝機容量為15MW)并網(wǎng)節(jié)點即PCC節(jié)點，系統(tǒng)故障取線路最為嚴重的三相短路情況，在t=0.5s時刻PCC點發(fā)生三相短路故障，0.2s后線路保護動作切除故障。大量實踐及研究表明，故障情況下運行時，風(fēng)電場內(nèi)各臺風(fēng)力機反應(yīng)類似，因此把風(fēng)電場作為一個整體簡化計算并不會產(chǎn)生很大的誤差[8]。

圖6 含風(fēng)電場的電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 不安裝UPFC時DFIG暫態(tài)穩(wěn)定分析

高阻抗的撬棒保護電路能減小定子電流峰值，但撬棒電阻值設(shè)定過高，保護移除瞬間可能引起電流尖峰脈沖[9]。因此仿真中撬棒電阻值取DFIG轉(zhuǎn)子電阻的35倍[10]。若轉(zhuǎn)子電流超過最大限幅值或者DFIG變流器間電容電壓超過最大限幅值，撬棒保護電路被觸發(fā)。

圖7～10分別為短路故障前后風(fēng)電機組機端電壓，風(fēng)電場發(fā)出的有功功率、DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及槳距角調(diào)節(jié)角度θ。

圖7 故障時風(fēng)電機組機端電壓

圖8 故障時風(fēng)電場發(fā)出的有功功率

圖9 雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖10 雙饋風(fēng)電機組槳距角調(diào)節(jié)情況

由圖7～10可知，在撬棒保護電路及雙饋風(fēng)力機自身調(diào)節(jié)能力的影響下，雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在 4.2s左右可達到故障前穩(wěn)定狀態(tài)。在故障發(fā)生瞬間，槳距角不斷增大以限制雙饋風(fēng)電機組的有功功率，3s時槳距角恢復(fù)到了故障前的0°。

圖11為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器之間的電容電壓值。

圖11 RSC和GSC間電容電壓

可見，短路故障瞬間電容電壓迅速上升，當(dāng)電壓上升至 3.7p.u.時撬棒保護電路投入運行，使得電容電壓值降低。但是故障切除后，撬棒電路仍未退出運行，圖11中電容電壓值在1s時刻才恢復(fù)穩(wěn)定值，此時撬棒電路退出。此外，撬棒保護電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉(zhuǎn)矩波動。因此從保護設(shè)備角度考慮用UPFC來提升DFIG的故障穿越能力。

3.2.2 UPFC提高并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

在圖6所示仿真算例中接入UPFC裝置。圖12～15為 PCC點發(fā)生三相短路故障前后風(fēng)電場各電氣量情況。

圖12 安裝UPFC后風(fēng)電機組機端電壓

圖14 安裝UPFC后風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速

圖15 安裝UPFC后槳距角調(diào)節(jié)情況

由上圖知，安裝 UPFC裝置后，短路瞬間雙饋風(fēng)電機組機端電壓下跌至0.65p.u左右，較未安裝UPFC時有較大的提升；故障切除后各電氣量波動更小，風(fēng)電場有功出力更快恢復(fù)平穩(wěn)，并且雙饋異步風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速變得更為穩(wěn)定，槳距角的調(diào)節(jié)幅度變小。

在UPFC裝置的快速調(diào)節(jié)作用下，風(fēng)電機組機端電壓下跌幅度變小，風(fēng)電場輸送的有功和轉(zhuǎn)速波動較大等問題得到改善。

圖16為 UPFC在風(fēng)電場故障前后的無功功率貢獻。

圖16 故障前后UPFC無功貢獻情況

圖16 可知在故障前以及故障切除后，UPFC裝置給風(fēng)電場提供的無功功率約為3MW，短路故障瞬間，UPFC裝置提供充足的無功功率，使得風(fēng)電場從系統(tǒng)吸收的無功大為減少，以此幫助風(fēng)電場故障后迅速恢復(fù)穩(wěn)定運行狀況，提升了風(fēng)電場暫態(tài)穩(wěn)定性和故障穿越能力。

4 結(jié)論

通過在 DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的雙饋風(fēng)電機組仿真模型系統(tǒng)，驗證了 UPFC對并網(wǎng)風(fēng)電場穩(wěn)定性的改善作用。仿真結(jié)果表明：

（1）僅依靠雙饋風(fēng)電機組自身的調(diào)節(jié)能力并不能保證故障期間風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行，故障穿越能力有待進一步加強。

（2）短路故障瞬間，UPFC能提供充足的無功功率，使得風(fēng)電場從系統(tǒng)吸收的無功大為減少，幫助風(fēng)電場故障后迅速恢復(fù)穩(wěn)定運行狀況。

（3）UPFC提高了故障期間風(fēng)電機組機端電壓，減小了故障切除后功率和轉(zhuǎn)速的振蕩過程，改善了雙饋風(fēng)電機組故障穿越能力。

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