風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

陳德，陳璟華，武小梅

（1.廣東電網(wǎng)公司湛江供電局，廣東湛江524005；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

陳德1，陳璟華2，武小梅2

（1.廣東電網(wǎng)公司湛江供電局，廣東湛江524005；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

隨著我國(guó)風(fēng)電的飛速發(fā)展，帶來(lái)了大規(guī)模風(fēng)電投切的穩(wěn)定性問(wèn)題。主要研究大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，研究采用當(dāng)今主流風(fēng)電仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行仿真分析，介紹風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，并闡述風(fēng)機(jī)低電壓穿越LVRT（Low Voltage Ride Through）問(wèn)題。在DIgSILENT中建立了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，通過(guò)對(duì)IEEE-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真分析，展示了系統(tǒng)故障期間各節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)情況，定性分析了并網(wǎng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越過(guò)程，并且仿真分析了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。

風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)；系統(tǒng)頻率；低電壓穿越；DIgSILENT仿真

自2011年初以來(lái)，全國(guó)共發(fā)生198起風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事件，國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)范圍內(nèi)共發(fā)生較大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故8起，脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)共5 447臺(tái)次，損失風(fēng)電出力共計(jì)6 944MW。其中4月25日發(fā)生在甘肅的脫網(wǎng)事故最為嚴(yán)重，最大損失風(fēng)電出力1 535MW，脫網(wǎng)機(jī)組多達(dá)1 278臺(tái)，造成電網(wǎng)頻率降至49.76Hz。2012年1月—5月國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)范圍內(nèi)大規(guī)模脫網(wǎng)事件共發(fā)生2次。風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模脫網(wǎng)嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。針對(duì)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問(wèn)題，本文采用DIgSILENT軟件[1-3]對(duì)IEEE-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)暫態(tài)仿真對(duì)大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)引起的系統(tǒng)頻率、電壓及低電壓穿越問(wèn)題進(jìn)行初步研究，為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供新思路。

1 DIgSILENT軟件及其等效風(fēng)電場(chǎng)建模

1.1 DIgSILENT軟件簡(jiǎn)介

本研究中使用的電力系統(tǒng)仿真軟件是DIgSILENT，它是由德國(guó)DIgSILENT公司編寫(xiě)的一套計(jì)算機(jī)輔助工程工具，DIgSILENT的名稱(chēng)來(lái)源于數(shù)字仿真及電網(wǎng)計(jì)算程序（Digital Simulation and Electric Network），最早的開(kāi)發(fā)始于1976年，第一套商業(yè)版分析軟件于1985年開(kāi)發(fā)成功。它具有圖像化操作、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等特點(diǎn)，擁有完善的編程和仿真語(yǔ)言，能夠進(jìn)行潮流計(jì)算、故障分析、諧波分析、穩(wěn)定性分析、保護(hù)、機(jī)電和電磁暫態(tài)、可靠性分析及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等多方面的研究。由于它具有豐富的元件庫(kù)和電力電子元件模型，特別是在風(fēng)電領(lǐng)域具有獨(dú)特性，既能搭建變頻器的控制模塊，又能通過(guò)編程語(yǔ)言模擬風(fēng)機(jī)、槳距控制、軸系統(tǒng)等模型，具有完整的風(fēng)電機(jī)組模型和風(fēng)電機(jī)組控制模型。DIgSILENT軟件由于其強(qiáng)大的模型自定義功能，可以根據(jù)不同的仿真需求對(duì)各種風(fēng)機(jī)控制策略進(jìn)行模擬，所以在新能源分析中越來(lái)越受到電力科技工作者的青睞。

1.2 基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效風(fēng)電場(chǎng)模型

在眾多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（Doubly-Fed Induction Generators）因?yàn)槠溆泄蜔o(wú)功功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，并且所需勵(lì)磁變頻器容量較小，因此迅速取代傳統(tǒng)的恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，占據(jù)了市場(chǎng)的大部分份額。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接接入常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)要通雙向變頻器所需的低頻勵(lì)磁電流。因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可能有能量的饋送，所以稱(chēng)為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

假定定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱(chēng)且不考慮零軸分量，則兩相任意速ωs旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[4-9]如下。

磁鏈方程為

電壓方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

遠(yuǎn)動(dòng)方程為

式中，ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Uds、Uqs、Udr、Uqr為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；Ls=Lss+Lm；Lr=Lrr+Lm；Lm=3/2Lsr；Lsr為定子、轉(zhuǎn)子互感幅值；Lss、Lrr分別為定子、轉(zhuǎn)子每相漏感；ωs為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；TL為風(fēng)力機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；J為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這樣，由式（1）—（4）完整地構(gòu)成了任意速ωs旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中DFIG的數(shù)學(xué)模型。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)圖

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的模型的建立本文的研究重點(diǎn)是風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，主要研究風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體與電網(wǎng)之間的相互作用，而風(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響不在本文研究范圍內(nèi)，因此本文采用DIgSILENT軟件中一臺(tái)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG模型等值一個(gè)完整的風(fēng)電場(chǎng)，在仿真時(shí)忽略了機(jī)組之間的影響，將風(fēng)電場(chǎng)建立為一個(gè)獨(dú)立的組件。

2 風(fēng)電脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性影響

風(fēng)電本身的間歇性及不完全可控性，導(dǎo)致風(fēng)電功率隨風(fēng)速的頻繁變化，與負(fù)荷波動(dòng)一起加大了電網(wǎng)維持系統(tǒng)功率平衡的困難。文獻(xiàn)[10]介紹了含風(fēng)電穿透功率較大的系統(tǒng)，由于電網(wǎng)有功調(diào)節(jié)能力較弱，風(fēng)電功率波動(dòng)會(huì)帶來(lái)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題。由于《中華人民共和國(guó)可再生能源法》要求電網(wǎng)公司全部收購(gòu)風(fēng)電，這制約了風(fēng)電機(jī)組正常條件下主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)度的能力，尤其是部分機(jī)組自身的缺陷，抵御干擾的能力較弱，實(shí)際電網(wǎng)中就發(fā)生多起風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事件，給電網(wǎng)的調(diào)頻帶來(lái)困難。

風(fēng)電脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響取決于風(fēng)電穿透功率的大小和電網(wǎng)自身的調(diào)節(jié)能力。為更好地研究風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)瞬間電網(wǎng)頻率波動(dòng)的動(dòng)態(tài)，本文以IEEE-9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）為例進(jìn)行暫態(tài)仿真研究風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響。假設(shè)該系統(tǒng)中G1、G2分別為常規(guī)火電機(jī)組，系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為100 MVA，同步發(fā)電機(jī)組均采用計(jì)及交直軸次暫態(tài)電抗、交直軸暫態(tài)電抗的六階詳細(xì)模型，并考慮了勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的作用；G3為由單機(jī)容量為2MW的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的某一大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為30×2MW，風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，定子出口額定電壓為690 V，其穿透功率為19.1%。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具體參數(shù)如下：額定功率P=2.0MW；額定頻率f=50Hz；定子電阻0.01 p.u.；轉(zhuǎn)子電阻0.009 p.u.；定子漏抗0.171 p.u.；轉(zhuǎn)子漏抗0.156 p.u.；互感電抗3.5 p.u.。

圖2 仿真算例系統(tǒng)接線

假設(shè)在線路Bus6—Bus9風(fēng)電場(chǎng)出口Bus9處發(fā)生30 s三相短路故障，30.15 s時(shí)故障切除。若風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，系統(tǒng)瞬時(shí)頻率最低下降到49.838 Hz，若風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)系統(tǒng)頻率最低下降到49.787Hz，不利于系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。此外，大規(guī)模的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)會(huì)加重系統(tǒng)有功功率缺額，對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻造成困難。隨著風(fēng)電機(jī)組的穿透功率增大，帶來(lái)的負(fù)面影響也越大。目前，因?yàn)榇蟛糠诛L(fēng)機(jī)基本不具備低電壓穿越能力，電網(wǎng)故障時(shí)極易引發(fā)大批風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，因此對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

3 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越概述

隨著風(fēng)電在電力生產(chǎn)中所占的比重越來(lái)越大，大容量的風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的相互作用、相互適應(yīng)、有效整合成為一個(gè)很重要的課題。風(fēng)機(jī)不具備低壓穿越能力是引發(fā)脫網(wǎng)事故的重要原因，隨著DFIG裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中所占比重的快速增大，他們與局部電網(wǎng)之間的相互影響也越來(lái)越大。由于DFIG的定、轉(zhuǎn)子直接并網(wǎng)，不能有效地隔離與電網(wǎng)間的聯(lián)系，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的故障非常敏感；故障情況下，小容量勵(lì)磁變換器對(duì)整個(gè)DFIG的控制能力也受到限制，導(dǎo)致DFIG風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)故障穿越能力較弱。但為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，要求DFIG風(fēng)電機(jī)組具備一定的電網(wǎng)故障穿越能力，特別是低電壓穿越（LVRT)能力。

風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力[11-12]（LVRT）指電網(wǎng)故障引起電壓跌落、風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)及故障后，保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力。由于風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力在電網(wǎng)的安全穩(wěn)定中意義重大，因此電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力非常重視。由于各國(guó)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)低電壓穿越能力的要求也不同，因此本文參照的是國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定的我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求。低電壓穿越曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

因此，風(fēng)機(jī)是否脫網(wǎng)與故障過(guò)程中并網(wǎng)點(diǎn)暫態(tài)電壓波動(dòng)幅度有關(guān)，下面仍以IEEE-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，研究電網(wǎng)故障對(duì)系統(tǒng)電壓和風(fēng)機(jī)低電壓穿越過(guò)程的影響。

4 算例系統(tǒng)仿真分析

取嚴(yán)重情況下的系統(tǒng)故障，假定在線路Bus6—Bus9風(fēng)電場(chǎng)出口Bus9處發(fā)生2.00 s三相短路故障，2.04 s保護(hù)動(dòng)作切除故障線路，2.6 s線路重合閘重合成功。

圖4 風(fēng)機(jī)出口WT1電壓變化情況

圖4是風(fēng)機(jī)出口WT1電壓放大的曲線，目的是詳細(xì)說(shuō)明風(fēng)電機(jī)組G3低電壓穿越過(guò)程。由圖可見(jiàn)：2.00 s系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)G3出口WT1電壓下跌至低電壓限值0.2 p.u.以下，持續(xù)0.08 s恢復(fù)電壓從而G3未發(fā)生跳閘，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組成功低電壓穿越。從故障前到故障瞬間直至保護(hù)動(dòng)作切除故障后再到重合閘成功后各節(jié)點(diǎn)的電壓情況如表1所示。由表1可知，系統(tǒng)故障瞬間造成系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓全部降低，電壓下降越明顯的節(jié)點(diǎn)離故障點(diǎn)電氣距離越近，故障點(diǎn)Bus9節(jié)點(diǎn)電壓下降最大，對(duì)風(fēng)機(jī)G3影響最大，因此最容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)低電壓穿越失敗而發(fā)生脫網(wǎng)的故障發(fā)生在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)線路出口。

表1 各節(jié)點(diǎn)電壓情況統(tǒng)計(jì)

雖然風(fēng)電機(jī)組本身無(wú)功調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓造成嚴(yán)重影響，但是如果風(fēng)機(jī)G3脫網(wǎng)，系統(tǒng)頻率會(huì)受到影響同時(shí)系統(tǒng)潮流也將重新分布，部分線路潮流可能反向。這對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式和繼電保護(hù)定值的及時(shí)調(diào)整提出了比較高的要求，建議采用自適應(yīng)繼電保護(hù)解決風(fēng)電引起的電網(wǎng)保護(hù)問(wèn)題。

風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后引起的同步發(fā)電機(jī)功角和有功波動(dòng)更大，不利于電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以IEEE-9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)為例，定性分析了風(fēng)電脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，包括雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越過(guò)程和風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，當(dāng)電網(wǎng)故障引發(fā)系統(tǒng)電壓變化時(shí)，不具備低壓穿越能力的風(fēng)機(jī)會(huì)脫網(wǎng)，加重了系統(tǒng)頻率的下降程度，同時(shí)迫使電網(wǎng)潮流重新分布，對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)帶來(lái)影響。此外，德國(guó)DIgSILENT公司的大型集成化電力系統(tǒng)仿真軟件具有高度圖形化的操作模式和全新的數(shù)據(jù)管理理念使它區(qū)別于眾多的電力系統(tǒng)分析軟件，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

［1］DigSilentGmbH.ManualsDigSilentPower Factory［R］.14.0 edition，2007.

［2］Hamon，C，Elkington,K.Doubly-fed induction generator model and control in DigSilent Power Factory［C］.Power System Technology，2010，26（4）：1-7.

［3］呂濤，韓禎祥.電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT介紹［J］.華東電力，2004，32（12）：37-40.

［4］劉書(shū)成.風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定域的研究［J］.黑龍江電力，2012，34（3）：196-199.

［5］李晶，宋家驊.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：100-105.

［6］閆廣新，晁勤.并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（24）：63-65.

［7］苑國(guó)鋒，柴建云.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變頻器的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（8）：90-94.

［8］Janaka B，Ekanayake.Dynamic Modeling of doubly fed induction generatorwind turbines［J］.IEEE Transactionson Power Systems，2003，18（2）：803-809.

［9］Zaimeddine，C.Control of a grid-connected double-fed induction generatorwind turbine［C］.IEEETrondheimPowerTech，2011：1-7.

［10］Gillian Lalor.Frequency controlandwind turbine technologies［J］. IEEETransactionson Power Systems，2005，20（4）：1905-1913.

［11］王偉，孫明冬.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（23）：84-88.

［12］操瑞發(fā)，朱武.雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（9）：72-77.

The Influence ofW ind Power O ff-grid on the Stability of Power System

CHEN De1，CHEN Jing-hua2，WU Xiao-mei2
（1.Zhanjiang Power Supply Com pany，Zhanjiang，Guangdong 524005，China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

With the rapid developmentofChina’swind power，stability problems comes due to large-scalewind power switching. This paper focuseson the influenceof large-scalewind poweroff-grid on the stability ofpowersystem.The currentmainstream wind power simulation software DIgSILENT was applied for simulation analysis.The impacts of wind turbine tripping on grid frequency and requirement for low voltage ride through(LVRT)capability of wind turbines were discussed.Doubly-fed wind turbine model was established in DIgSILENT and through simulation analysis of IEEE 9-bus system,the voltage fluctuation during the system break-in period was presented.Moreover，the qualitative analysis of LVRTwasmade for integrated wind turbines,and the influence of large-scale wind poweroff-grid on transientstability ofpower system wassimulated and analysed.

wind turbine tripping；system frequency；low voltage ride through（LVRT）；DIgSILENT simulation

TM614

A

1671-0320（2014）05-0018-04

廣東省電力節(jié)能與新能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（ZDSYS200701）；廣東電網(wǎng)公司2012年科技項(xiàng)目（K-GD2012-218）

2014-06-07，

2014-07-12

陳德（1973-），男，廣東湛江人，1996年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，從事調(diào)度運(yùn)行與管理工作；

陳璟華（1974-），女，江西人，2007年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全運(yùn)行與控制、人工智能及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

武小梅（1972-），女，吉林省吉林人，副教授，博士研究生，碩士生導(dǎo)師，1997年畢業(yè)于東北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位；2004年畢業(yè)于加拿大ConcordiaUniversity電力工程專(zhuān)業(yè)，獲Master ofEngineering學(xué)位，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電等。