含大型風(fēng)電場系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

盧錦玲，石少通，徐 超，程曉悅

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，保定071003)

0 引 言

隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，我國風(fēng)電利用逐漸走向規(guī)?；?，然而大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)，尤其是電壓穩(wěn)定問題。學(xué)者對電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了大量研究，提出了一些靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法和靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，隨著研究的深入，人們逐漸認識到了電壓穩(wěn)定性的動態(tài)本質(zhì)，進而逐步認識到電壓崩潰機理的復(fù)雜性［1］。在研究風(fēng)電場接入電網(wǎng)后系統(tǒng)故障情況下電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性時，文獻［2］采用系統(tǒng)故障后電壓幅值是否穩(wěn)定在0.95 p.u.到1.05 p.u.之間去衡量，本質(zhì)上是靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)。文獻［3 ～5］采用臨界故障清除時間(Critical Clearing Time，CCT)作為暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，但是不能分析陣風(fēng)情況對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。文獻［6 ～9］研究成果表明，風(fēng)力發(fā)電機模型與參數(shù)的準(zhǔn)確性在分析風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的影響時是至關(guān)重要的，風(fēng)電場裝機容量、聯(lián)絡(luò)線路阻抗比和風(fēng)電場短路容量都會影響風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。因此本文在采用CCT 作為衡量系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)的同時，提出利用暫態(tài)電壓最大跌落幅值和持續(xù)時間作為暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，并分析了風(fēng)電場不同出力水平和不同故障位置情況下系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

風(fēng)電發(fā)展初期風(fēng)電場規(guī)模和容量都比較小，在系統(tǒng)發(fā)生大擾動時由于自身暫態(tài)穩(wěn)定性無法保證，通常采取切機措施，系統(tǒng)在失去有功電源不是很大時對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大，但是對于大規(guī)模風(fēng)電場接入的系統(tǒng)，由于風(fēng)電場容量比較大，在發(fā)生大擾動時不能簡單的采取切機措施，而應(yīng)該通過控制提高其故障穿越能力，為系統(tǒng)提供暫態(tài)支持，保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。文獻［8，10，11］研究了轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制和電網(wǎng)側(cè)變頻器控制，crowbar 撬棒電路保護設(shè)計用于提高雙饋風(fēng)電機組的故障穿越能力。上述文獻研究雖然一定程度上提高了風(fēng)電場的故障穿越能力，但是都忽略了雙饋變速風(fēng)電機組的槳距角控制對提高風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用。為了分析電網(wǎng)發(fā)生大擾動期間風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行并對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定提供支持，文中建立了具有暫態(tài)電壓支持能力的快速槳距角控制和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器協(xié)調(diào)控制模型和crowbar保護電路，以提高電網(wǎng)故障期間系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組暫態(tài)分析模型

1.1 風(fēng)速模型

為了能夠精確的描述風(fēng)速隨機性和間歇性的特點，通常用4 種成分的風(fēng)速來模擬［1］:基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機風(fēng)。在暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析中，由于研究的是大擾動下風(fēng)電機組和電網(wǎng)之間的相互影響，這里僅介紹陣風(fēng)數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示。

1.2 空氣動力學(xué)模型

風(fēng)力機通過風(fēng)輪葉片捕獲的風(fēng)能功率為

相應(yīng)機械轉(zhuǎn)矩為

式中:Pw為風(fēng)力機輸出功率;Cp(β，λ)為風(fēng)能利用系數(shù);β 為槳距角，λ 為葉尖速比;R 為風(fēng)輪半徑;ρ 為空氣密度;Vw為風(fēng)速;Mw為風(fēng)力機的輸出機械轉(zhuǎn)矩。

1.3 軸系模型

在正常穩(wěn)態(tài)運行方式下，雙饋變速風(fēng)電機組通過其解耦控制實現(xiàn)了機械部分與電氣部分的解耦，軸系扭振通過變頻器基本上被濾除。但是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)三相短路等嚴(yán)重故障時，其軸系振蕩就會表現(xiàn)出來，這只有通過對風(fēng)力機與發(fā)電機質(zhì)塊慣量的詳細模擬才能反映出來，兩質(zhì)量塊數(shù)學(xué)模型方程［7］可表示為

式中:HT，HG為風(fēng)力機和發(fā)電機慣量;TM，TE為風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩;KS為軸的剛度系數(shù);DT，DG為風(fēng)力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù);θS為兩質(zhì)量塊之間相對角位移;ωT，ωG為風(fēng)力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;ω0為同步轉(zhuǎn)速。

1.4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機模型

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)發(fā)電機的電壓方程為［12］

式中:ωs為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，即為同步轉(zhuǎn)速;u，i，ψ 為繞組的電壓、電流及磁鏈;R 為繞組的電阻;下標(biāo)s，r 分別代表電機的定子與轉(zhuǎn)子;下標(biāo)d，q 分別代表電機的d，q 繞組;s 為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。

2 暫態(tài)電壓控制策略

大擾動下節(jié)點電壓有時跌落較大，節(jié)點暫態(tài)電壓穩(wěn)定性較差，這時需要采取一些措施提高系統(tǒng)節(jié)點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，文中建立了具有暫態(tài)電壓支持能力的快速槳距角控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制協(xié)調(diào)控制模型以及crowbar 保護電路用于提高故障期間節(jié)點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

2.1 槳距角控制

正常情況下槳距角控制通常用于實現(xiàn)最大功率追蹤和風(fēng)速高于額定風(fēng)速時限制風(fēng)力機輸入的機械功率，維持發(fā)電機額定功率運行。因為故障后機端電壓降低，風(fēng)電機組無法按故障前發(fā)出的有功運行，會導(dǎo)致風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機組超速，而電壓不穩(wěn)定與感應(yīng)電機超速密切相關(guān)［13］，因此，槳距角控制可以在暫態(tài)過程中降低風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)矩從而避免發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加過高而引起風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制保護動作切機，為風(fēng)機實現(xiàn)故障穿越和暫態(tài)電壓恢復(fù)提供支撐。同時發(fā)現(xiàn)，引入槳距角控制環(huán)節(jié)，可以配合雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的電壓和無功控制策略，在電網(wǎng)故障期間為電壓恢復(fù)提供支持。文獻［14］分析得出了雙饋風(fēng)電機組的定子無功功率極限，如式(6)所示。

通過式(6)不難發(fā)現(xiàn)通過槳距角控制降低發(fā)電機定子繞組的有功輸出，可以提高雙饋異步發(fā)電機發(fā)出的無功功率極限，從而在電網(wǎng)故障過程中提供更多的動態(tài)無功支持電網(wǎng)電壓重建，改善系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。常規(guī)槳距角控制通常利用測量的發(fā)電機輸出有功功率與設(shè)定的有功功率參考值進行比較，將差值信號通過PI 控制器進行放大并產(chǎn)生槳距角的參考值用于調(diào)整風(fēng)力機的槳距角從而對風(fēng)電機組的機械功率和輸出的有功功率進行控制。在研究系統(tǒng)發(fā)生大擾動后系統(tǒng)的暫態(tài)行為，機組的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電流等電氣量響應(yīng)較快，有時常規(guī)槳距角控制難以達到要求，文中對其測量量進行了改進，直接測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并通過與設(shè)定的轉(zhuǎn)速參考值進行比較用于產(chǎn)生槳距角信號參考值，這樣既能控制發(fā)電機輸出的有功功率，又能對發(fā)電機故障期間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行快速控制，形成快速響應(yīng)槳距角控制，控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 改進的槳距角控制Fig.1 Modified pitch angle control

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器解耦控制

為了充分利用變頻器的控制能力并盡可能發(fā)出更多的有功，電網(wǎng)側(cè)變頻器一般不發(fā)出或吸收無功功率，保持與電網(wǎng)的無功交換為零。這意味著雙饋感應(yīng)電機與電網(wǎng)的無功功率交換只通過發(fā)電機定子完成［7］。雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器通過采用定子電壓定向的矢量控制技術(shù)可以實現(xiàn)對定子有功和無功功率的解耦控制。通過控制轉(zhuǎn)子電流的有功分量ird可以實現(xiàn)對定子繞組有功功率Ps的控制，轉(zhuǎn)子電流無功分量irq可以控制定子繞組的無功功率Qs。ird，irq為轉(zhuǎn)子d 軸、q 軸分量，它們之間不存在耦合關(guān)系，從而實現(xiàn)對定子Ps和Qs的解耦控制。

一般轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器無功控制的Qref值是根據(jù)穩(wěn)態(tài)運行情況下發(fā)電機與電網(wǎng)之間無功交換要求設(shè)定為0 或一定值，這樣，在電網(wǎng)發(fā)生故障等大擾動情況下需要風(fēng)電機組提供動態(tài)無功支持時常規(guī)的變頻器控制方式并不能發(fā)揮暫態(tài)電壓支持作用。因此，本文對其進行了改進，通過測量電網(wǎng)故障電壓跌落過程中的電壓值與設(shè)定的正常電壓值進行比較再經(jīng)過一個PI 控制器得出實時動態(tài)無功參考值Qref用于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器無功控制，能夠在系統(tǒng)故障期間根據(jù)電壓下降水平不同動態(tài)發(fā)出無功功率為系統(tǒng)電壓恢復(fù)提供暫態(tài)支持，同時利用故障測量電壓和設(shè)定的電壓差值可以作為限制發(fā)電機發(fā)出有功功率的信號，通過與槳距角協(xié)調(diào)控制，在故障期間降低發(fā)電機發(fā)出的有功功率從而為發(fā)出更多無功功率提供空間。改進的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器無功控制簡化如圖2 所示。

圖2 改進的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器無功控制Fig.2 Modified rotor side converter reactive power control

2.3 crowbar 保護電路控制設(shè)計

當(dāng)要求風(fēng)電機組具有故障穿越能力時，故障過程中及故障后一定標(biāo)準(zhǔn)下不允許風(fēng)電機組切除，此時，為了保護轉(zhuǎn)子側(cè)不被故障時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子過電流燒壞需要在轉(zhuǎn)子側(cè)配置crowbar 保護電路。保護電路投入后變流器失去作用，雙饋風(fēng)力發(fā)電機相當(dāng)于普通異步風(fēng)電機運行，會吸收大量無功，這對系統(tǒng)暫態(tài)電壓恢復(fù)是不利的，變流器需要在投入一定時間后斷開。關(guān)于變流器控制的恢復(fù)時間，文獻［11］在研究crowbar 保護提高風(fēng)電機組的故障穿越能力時得出crowbar 保護動作后退出時間應(yīng)綜合考慮機組電氣應(yīng)力約束和系統(tǒng)無功支持需求，一般應(yīng)在crowbar 保護投入后故障清除后的1 ～2 個周波斷開，恢復(fù)變流器的控制作用。

3 仿真分析

仿真系統(tǒng)選為新英格蘭IEEE39 節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)。節(jié)點30 為風(fēng)電場接入點，節(jié)點31 為系統(tǒng)平衡節(jié)點。系統(tǒng)中其它同步發(fā)電機組暫態(tài)模型均采用計及E″d，E″q，E′d和E′q變化的6 階模型，并考慮其勵磁系統(tǒng)及原動機調(diào)速系統(tǒng)。本文采用的風(fēng)電機組為額定功率為2 MW 的雙饋感應(yīng)發(fā)電機，定子出口額定電壓為690 V。文中采用的暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)有兩種，一種為臨界故障清除時間CCT，另一種為暫態(tài)電壓的最大跌落幅值(ΔUc)和持續(xù)時間(ΔTc)來表示，如果ΔUc和ΔTc超過規(guī)定的值就可以認為暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。ΔUc和ΔTc的規(guī)定值根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點是否為風(fēng)電場接入點分為兩種，風(fēng)電場接入點ΔUc和ΔTc的規(guī)定值根據(jù)國家電網(wǎng)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，如果不能滿足低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，則該節(jié)點暫態(tài)電壓視為不穩(wěn)定;非風(fēng)電場接入點ΔUc和ΔTc的規(guī)定值根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)定的動態(tài)過程中中樞電壓節(jié)點持續(xù)下降低于限定值(0.75 p.u.)超過1 s 即視為該節(jié)點暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。

3.1 陣風(fēng)對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電機組出力為250 MW 時，陣風(fēng)強度和持續(xù)時間不同對系統(tǒng)節(jié)點電壓波動的影響，初始風(fēng)速為10 m/s，陣風(fēng)1 強度為5 m/s，起始時間為t=2 s，結(jié)束時間t =5 s;陣風(fēng)2 強度為7 m/s，起始時間為t=2 s，結(jié)束時間t=5 s;陣風(fēng)3 強度為7 m/s，起始時間為t=2 s，結(jié)束時間t=7 s。

結(jié)果顯示，陣風(fēng)1，2 并不會引起風(fēng)電機組電氣量太大變化，機端電壓、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速都在允許的范圍內(nèi)有不大的波動，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好;高強度持續(xù)時間較長的陣風(fēng)3 在沒有控制下可能會引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，引起風(fēng)機轉(zhuǎn)速保護動作而切機，轉(zhuǎn)子電流和電壓波動都較前兩種情況嚴(yán)重，但并沒有引起電壓崩潰，在快速槳距角控制系統(tǒng)作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能得到有效遏制。陣風(fēng)1 情況引起的系統(tǒng)節(jié)點電壓波動變化較大的前5 個節(jié)點如表1 所示，由表1 可見風(fēng)電接入點及其附近節(jié)點和重負荷節(jié)點電壓波動受陣風(fēng)影響較大，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性較差。

表1 風(fēng)電機組出力為250 MW 時陣風(fēng)1 對系統(tǒng)節(jié)點電壓波動影響較大的前5 個節(jié)點Tab.1 The prior 5 nodes of large voltage disturbance under gust 1 with 250 MW wind power

3.2 三相短路故障下系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性及控制策略對其影響分析

為了分析在風(fēng)電機組不同出力水平和系統(tǒng)不同地點發(fā)生三相短路故障情況下風(fēng)電場接入地區(qū)節(jié)點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定情況，仿真計算設(shè)定了3 個故障情景:故障1 為遠離風(fēng)電場接入點B7 處發(fā)生三相短路故障;故障2 為距離風(fēng)電場較近的系統(tǒng)重負荷節(jié)點B4 處發(fā)生三相短路;故障3 為風(fēng)電場接入點變壓器高壓側(cè)B2 處發(fā)生三相短路。分別研究不同故障情景下風(fēng)電機組出力水平為100 MW，180 MW 和250 MW 時利用上述兩個暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)去分析風(fēng)電場接入點及其附近節(jié)點暫態(tài)電壓穩(wěn)定性情況，并分析文中提出的改進方法是否能夠提高風(fēng)電機組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，由于暫態(tài)過程比較短，故障過程中假設(shè)風(fēng)速保持不變。

3.2.1 CCT 分析結(jié)果

不同故障情景下風(fēng)電機組出力水平為100 MW，180 MW 和250 MW 時，改進控制系統(tǒng)前CCT1 和改進后CCT2 如表2 所示。

表2 風(fēng)電機組不同出力水平下系統(tǒng)臨界故障清除時間Tab.2 CCT in different wind power outputs and fault position

由表2 可見風(fēng)電機組高出力水平下系統(tǒng)發(fā)生故障及故障離風(fēng)電場接入點越近系統(tǒng)的臨界故障清除時間越短，系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越弱。對比控制系統(tǒng)改進前后的CCT 可以發(fā)現(xiàn)，改進后的控制模型能夠有效提高系統(tǒng)故障時的CCT，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

3.2.2 暫態(tài)電壓最大跌落幅度分析

以風(fēng)電場出力為250 MW 時不同故障情景下原來控制系統(tǒng)和改進控制系統(tǒng)后的仿真結(jié)果進行對比分析。

(1)故障1 情況原先控制系統(tǒng)下和改進控制系統(tǒng)后風(fēng)電機組機端電壓、轉(zhuǎn)子電流、發(fā)出有功功率和發(fā)出的無功功率如圖3 ～圖6 所示。

結(jié)果表明，此種故障情景對風(fēng)電機組的影響

圖3 機端電壓Fig.3 Voltage of the generator

圖4 轉(zhuǎn)子電流Fig.4 Roto current

圖5 風(fēng)電場發(fā)出有功功率Fig.5 Active power of the wind farm

圖6 風(fēng)電場發(fā)出無功功率Fig.6 Reactive power of the wind farm

并不十分嚴(yán)重，在原先控制系統(tǒng)下風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子電流在故障發(fā)生后有所增加，但是在允許的范圍內(nèi)，故障期間風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率幾乎不變，發(fā)出的無功功率基本為0，機端電壓最大跌落到0.7461 p.u.;而改進控制系統(tǒng)作用下，通過測量風(fēng)電機組故障電壓與設(shè)定電壓的差值能夠動態(tài)控制發(fā)電機發(fā)出的無功為系統(tǒng)電壓恢復(fù)提供支持，并能在故障期間適當(dāng)降低發(fā)出的有功功率為發(fā)出更多無功功率提供空間，在改進控制系統(tǒng)下，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子電流故障期間增幅較小并且機端電壓最大跌落幅度有所減少，電壓最大跌落到0.8527 p.u.，較改善前提高了11 %左右。

(2)故障2 情況原先控制系統(tǒng)下和改進控制系統(tǒng)后風(fēng)電機組機端電壓、轉(zhuǎn)子電流、發(fā)出有功功率和發(fā)出的無功功率如圖7 ～圖10 所示。

結(jié)果顯示，該情景下控制系統(tǒng)改進前后與故障1 相比轉(zhuǎn)子電流和風(fēng)電機組發(fā)出有功和無功相類似，改進控制系統(tǒng)能夠使風(fēng)電機組在故障期間檢測到機端電壓下降后能夠降低有功功率并且發(fā)出無功功率，降低了轉(zhuǎn)子電流的增幅，并為電壓恢復(fù)提供了支持，此種情景下，由機端電壓圖7可以發(fā)現(xiàn)，此種情景下，改進的控制系統(tǒng)作用更加明顯，原先控制系統(tǒng)下在故障期間機端電壓下降幅度較大，跌落到0.559 2 p.u.，而改進控制系統(tǒng)下機端電壓只跌落到0.742 4 p.u.，提高了約18 %左右。對于離風(fēng)電機組接入點較近區(qū)域發(fā)生三相短路故障時，對風(fēng)電機組的影響是比較明顯的，轉(zhuǎn)子電流會迅速增加，機端電壓下降較嚴(yán)重，改進控制系統(tǒng)能夠有效降低故障期間轉(zhuǎn)子電流的增幅，并且明顯改善故障期間電壓跌落，效果比較明顯。

圖7 機端電壓Fig.7 Voltage of the generator

圖8 轉(zhuǎn)子電流Fig.8 Rotor current

圖9 風(fēng)電場發(fā)出有功功率Fig.9 Active power of the wind farm

圖10 風(fēng)電場發(fā)出無功功率Fig.10 Reactive power of the wind farm

(3)故障3 情況原先控制系統(tǒng)下和改進控制系統(tǒng)后風(fēng)電機組機端電壓、轉(zhuǎn)子電流、發(fā)出有功功率和發(fā)出的無功功率如圖11 ～圖18 所示。

圖11 改進前機端電壓Fig.11 Voltage of the generator before modified

圖12 改進前轉(zhuǎn)子電流Fig.12 Rotor current before modified

圖13 改進前風(fēng)電場發(fā)出有功功率Fig.13 Active power of the wind farm before modified

圖14 改進前風(fēng)電場發(fā)出無功功率Fig.14 Reactive power of the wind farm before modified

圖15 改進后機端電壓Fig.15 Voltage of the generator after modified

圖16 改進后轉(zhuǎn)子電流Fig.16 Rotor current after modified

圖17 改進后風(fēng)電場發(fā)出有功功率Fig.17 Active power of the wind farm after modified

圖18 改進后風(fēng)電場發(fā)出無功功率Fig.18 Reactive power of the wind farm after modified

結(jié)果顯示，此故障情景最嚴(yán)重，當(dāng)風(fēng)電機組接入點變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路故障時，原先控制系統(tǒng)下轉(zhuǎn)子電流迅速增加并且超過了3 p.u.，這在風(fēng)電機組的保護設(shè)置中是不允許的，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子過流保護一般設(shè)定值為2 p.u.，原先控制系統(tǒng)下故障期間轉(zhuǎn)子電流超過設(shè)定值較多會引起過流保護動作切機，故障期間電壓跌落幅度也最大，電壓最低跌落到0.164 p.u.，一般情況下如果風(fēng)電機組的故障穿越電壓設(shè)定的不夠低也會引起風(fēng)電機組低壓保護動作切機，風(fēng)電接入點暫態(tài)電壓失去穩(wěn)定。改進控制系統(tǒng)下，故障期間撬棒保護電路會動作，并且能夠控制風(fēng)電機組故障期間發(fā)出無功功率，有效降低了轉(zhuǎn)子電流的增加，將故障時轉(zhuǎn)子電流控制到1.5 p.u.左右，避開了過流保護動作，使故障期間風(fēng)電機組不至于因轉(zhuǎn)子電流過高而切機，但是改進控制系統(tǒng)對提高此種故障情景下機端電壓的降落效果較差，只從0.122 p.u.提高到了0.171 p.u.，約5 %。此故障情景仿真表明，改進控制系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機組機端三相短路嚴(yán)重故障時轉(zhuǎn)子電流增加進行有效遏制，但是對改善機端電壓效果不是很明顯。對于如何提高風(fēng)電機組接入線路變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路故障情景下機端電壓水平，文獻［1，15］ 等提出利用動態(tài)無功補償裝置SVC 和STATCOM 能夠有效提高故障期間風(fēng)電機組的電壓水平，為風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電壓快速恢復(fù)提供支持。

4 結(jié) 論

基于變速雙饋風(fēng)電機組，建立了詳細的風(fēng)電機組暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，對大型風(fēng)電場接入系統(tǒng)后可能引起系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的機理進行了探討，對比分析了不同風(fēng)電接入容量、不同故障位置以及不同陣風(fēng)強度下系統(tǒng)節(jié)點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。在DIg-SILENT/PowerFactory 軟件中通過建立風(fēng)電機組的綜合控制模型和改進槳距角控制和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制，提出了具有暫態(tài)電壓支持的快速槳距角控制和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器協(xié)調(diào)控制模型用于提高風(fēng)電接入地區(qū)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。算例仿真證明了建立的風(fēng)電機組暫態(tài)數(shù)學(xué)模型和暫態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的有效性，結(jié)果表明所建立的具有暫態(tài)電壓支持的快速槳距角控制和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器協(xié)調(diào)控制模型一般情況下能夠有效改善風(fēng)電機組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。針對風(fēng)電接入點變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路的嚴(yán)重情況，改進的控制策略并不能大幅提高風(fēng)電機組暫態(tài)電壓跌落，需要考慮通過與SVC 和STATCOM 等動態(tài)無功補償配合以保持此故障情況下風(fēng)電機組并網(wǎng)運行和提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。需要指出的是，本文僅采用標(biāo)準(zhǔn)算例進行了仿真分析，對于文中所提出的改進的控制策略對含大型風(fēng)電場系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的改善效果采用實際電網(wǎng)和風(fēng)電場數(shù)據(jù)進行仿真是下一步需要進行的工作。

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