永磁式直驅(qū)機組風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

李 偉，管 健

（吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022）

永磁式直驅(qū)機組風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

李 偉，管 健

（吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022）

研究了采用直驅(qū)風機的大規(guī)模風電場接入對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。從理論上分析了直驅(qū)風機的變流器對風機特性影響的機理；基于直驅(qū)風機風場的數(shù)學模型，計算了故障后以故障臨界切除時間表征的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性；通過仿真計算，揭示了直驅(qū)風機和同步機對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，驗證了理論分析結(jié)果。得出結(jié)論為直驅(qū)機組風電場的接入可能增強也可能削弱所接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要取決于輸出功率，但影響程度比同步機小。

風電場；直驅(qū)風機；暫態(tài)穩(wěn)定性；臨界切除時間

隨著建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大力推進，我國以風能、光能和核能為代表的新能源的開發(fā)利用逐漸加速。其中風能因開發(fā)相對較早，技術較為成熟而成為新能源開發(fā)利用的主要形式。由于適宜開發(fā)風能的地區(qū)主要集中在我國東北、西北等電網(wǎng)較為薄弱的地區(qū)，風電場所在地電網(wǎng)消納能力有限，近年來通過建設大規(guī)模風電基地并通過500 kV電壓等級遠距離外送成為類似地區(qū)并網(wǎng)型風力發(fā)電主要的消納形式。而且隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展，風電機組經(jīng)歷了從恒速定頻風電系統(tǒng)到變速恒頻風電系統(tǒng)的過程，典型的代表是異步風力發(fā)電機組和雙饋風力發(fā)電機組。最近一段時期，屬于變速恒頻風電系統(tǒng)的直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機組（Direct-driven Wind Turbine With Permanent Magnet Synchronous Generators，DPMSG）因單機容量大、故障率低、噪音低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點越來越多被采用。在此基礎上直驅(qū)風機的動態(tài)特性機控制策略成為熱點問題［1-8］，但機理型的研究較少。

本文首先建立完整的直驅(qū)風電機組的動態(tài)數(shù)學模型，以此為基礎對直驅(qū)風電機組的特性進行了機理分析，然后利用PSD-BPA仿真軟件平臺對某實際大型風電基地送出系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進行計算，通過與同步發(fā)電機的對比，研究了直驅(qū)風電機組對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

1 直驅(qū)風電機組模型

直驅(qū)風電機組主要由風機、永磁同步發(fā)電機、換流器及其控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.1 風速模型

圖1 永磁直驅(qū)風電機組結(jié)構

實際應用中根據(jù)需要可選3種風速中的任意幾種進行組合來考慮風速的影響。

1.2 風力機輸出特性模型

風力機葉片從來風中捕獲的風能Pw：

式中：ρ為空氣密度；R為風機葉片半徑；Vw為風速；Cp為風能利用系數(shù)，是槳距角β和葉尖速率比λ（λ＝ωmR／Vw，ωm為風力機角速度） 的函數(shù)，即： Cp＝f（β， λ） 。

風電機組有功功率取決于風速的大小，不同結(jié)構及原理的風機有功功率不同。以變槳距風電機為例，穩(wěn)態(tài)情況下，風速和輸出功率之間的關系如圖2所示。

圖2 風機功率特性曲線

1.3 軸系模型

直驅(qū)風機軸與發(fā)電機軸剛性連接，可以采用集中質(zhì)量塊模型：

式中：Tj為機組慣性時間常數(shù)；Tw為機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Dm為機組轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)；ωr為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度。

1.4 發(fā)電機模型

除以永磁體取代勵磁繞組，永磁發(fā)電機與一般的同步發(fā)電機相似，其在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓方程為

式中：uds，uqs，ids，iqs分別為發(fā)電機定子直軸交軸的電壓電流；Ld，Lq分別為定子的直軸交軸電感；

1.5 換流器模型

換流器將發(fā)電機輸出的頻率和電壓變化的電能轉(zhuǎn)換成為頻率和電壓可控的電能并饋入電網(wǎng)，主要由發(fā)電機側(cè)換流器、平波電感、電網(wǎng)側(cè)換流器和直流環(huán)節(jié)構成，忽略兩側(cè)平波電感影響，全功率換流器等效電路如圖3所示。r為定子電阻；ω＝npωr是定子電角速度；np是發(fā)電機極對數(shù)；Ψ是風力發(fā)電機的永磁體轉(zhuǎn)子磁鏈，為定值。

電磁轉(zhuǎn)矩：

發(fā)電機輸出電磁功率：

圖3 換流器等值電路

電機側(cè)換流器采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，此時發(fā)電機輸出功率由式 （6）轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

由式 （7）可見，通過iqs控制發(fā)電機有功功率Ps，通過ids控制無功功率Qs，實現(xiàn)了功率控制的解耦。

網(wǎng)側(cè)換流器采用電壓定向矢量控制技術，由于電壓矢量定向在d軸，此時uqg＝0，變流器在d-q坐標系下電壓：

式中：rg，Lg為網(wǎng)側(cè)換流器進線電抗器的電阻和電感；ud，uq為網(wǎng)側(cè)換流器控制電壓的直軸交軸分量；udg，uqg，idg，iqg為電網(wǎng)電壓和電流的直軸交軸分量；ωg為電網(wǎng)的同步角速度。

電網(wǎng)側(cè)輸出功率：

由式 （9）可見，通過idg控制并網(wǎng)的有功功率Pg，通過iqg控制無功功率Qg，通過調(diào)節(jié)電流矢量的軸分量對功率進行解耦控制，可單位功率因數(shù)運行。

不考慮換流器損耗功率，直流環(huán)節(jié)的電容動態(tài)過程為

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標之一就是維持電容電壓處于恒定狀態(tài)。

2 機理分析

直驅(qū)風電系統(tǒng)采用永磁體對同步電機勵磁，低轉(zhuǎn)速的風力機可以與多極對數(shù)的發(fā)電機直接連接，省卻了變速環(huán)節(jié)。同步機輸出功率全部通過換流器并轉(zhuǎn)換為以電網(wǎng)可接受參數(shù)表征的電功率進入電網(wǎng)。

2.1 正常運行

正常運行時，機側(cè)換流器根據(jù)隨機變化的風能情況實現(xiàn)對最大功率的追蹤或保持恒功率運行狀態(tài)，控制手段是改變發(fā)電機的電流。電流變化后電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變，在風力機機械轉(zhuǎn)矩的共同作用下改變了軸系的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了對發(fā)電機輸出功率的控制調(diào)節(jié)。電網(wǎng)側(cè)換流器控制目標是追蹤發(fā)電機輸入到換流器的有功功率，使其輸出到電網(wǎng)的有功功率與前者一致，控制手段是保持換流器直流環(huán)節(jié)中電容的電壓保持穩(wěn)定。由于采用了解耦控制，換流器能獨立對無功功率進行控制調(diào)整，可以得到需要的功率因數(shù)。

2.2 故障運行

當電網(wǎng)故障時，網(wǎng)側(cè)換流器檢測到網(wǎng)端電壓降低，主要控制目標由有功功率變?yōu)闊o功功率，可以迅速降低饋入電網(wǎng)的有功功率，提高饋入電網(wǎng)的無功功率，起到了維持電網(wǎng)電壓的作用。在此過程中發(fā)電機輸入變流器的有功功率不能完全饋入電網(wǎng)導致直流環(huán)節(jié)電壓升高，為保護電容通過電阻消耗多余的能量使直流電壓保持穩(wěn)定。多余能量的消耗減小了風力發(fā)電機輸入到變流器功率及其軸系轉(zhuǎn)速的變化，提高了機組自身的穩(wěn)定性。

由以上分析，換流器不僅是功率通道，更重要的是其對功率轉(zhuǎn)換過程的控制。通過其對正常運行和故障狀態(tài)有功功率和無功功率的控制，將風力發(fā)電機和電網(wǎng)隔離開來，減少了電網(wǎng)對風力發(fā)電機的沖擊，提高機組自身的穩(wěn)定性；同時通過增加無功功率的輸出提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。該能力等效為低電壓穿越能力［6］，但低電壓穿越能力越大對變流器相關設備的參數(shù)要求越高。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)

本文采用的仿真工具為電力系統(tǒng)分析軟件PSD -BPA4.0。算例系統(tǒng)為一個大規(guī)模風電基地送出系統(tǒng)，如圖4所示。風電場A和B經(jīng)過220 kV線路送入500 kV變電站?；痣姀S電力通過500 kV直接送出。節(jié)點1和2與主系統(tǒng)3距離較遠。風電廠采用前文所述直驅(qū)風電系統(tǒng)等值機模型?；痣姀S同步機組包含原動機、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁部分，發(fā)電機采用6階模型。

圖4 算例電網(wǎng)示意

3.2 穩(wěn)定性算例分析

采用故障極限切除時間 （CCT）表征電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。即極限清除時間越長系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性越強。故障取線路同塔異名相短路接地，發(fā)生時刻為1 s。

考慮通過4個算例對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進行分析。算例1：節(jié)點2無電源接入，計算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時的極限切除時間。算例2：節(jié)點2接入2座直驅(qū)風機風電場在不同出力下計算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時的極限切除時間。算例3：節(jié)點2接入1座直驅(qū)風機風電場和1座同容量火電廠在不同出力下計算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時的極限切除時間。算例4：節(jié)點2接入2座同容量火電廠在不同出力下計算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時的極限切除時間。

各個算例結(jié)果分別如表1-表4所示。算例1故障1極限切除時間0.185 s，故障2極限切除時間0.152 s，由于500 kV電壓等級送電線路輸送容量大，極限切除時間較短。經(jīng)過分析各表數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)對比可見，在出力逐漸增加時，直驅(qū)風機和同步機都可以提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，當出力增加到一定程度反而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；不同的是直驅(qū)風機提高的程度比同步機大，降低的程度比同步機小，表明直驅(qū)風電機組具有比同步機組更好的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能。

表1 算例1對應的CCT結(jié)果

表2 算例2對應的CCT結(jié)果

表3 算例3對應的CCT結(jié)果

表4 算例4對應的CCT結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了采用永磁直驅(qū)型風電機組的大型風電場的接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，通過理論分析和對某一實際系統(tǒng)的仿真計算，得到以下結(jié)論。

a.直驅(qū)型風機經(jīng)過變流器接入系統(tǒng)，在變流器的控制作用下將發(fā)電機組與電網(wǎng)隔離，減少了電網(wǎng)故障對機組的沖擊，在故障狀態(tài)下還可以向系統(tǒng)補充無功功率以提高電壓，不僅有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，而且通過內(nèi)部電阻消耗過剩能量提高風電機組自身的穩(wěn)定性能，從理論上優(yōu)于一般的同步發(fā)電機組。

b. 直驅(qū)機組對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響與其出力關系較大，隨著出力的增加，其對穩(wěn)定性有利的程度減弱，甚至降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。但與同步機相比，增加程度比降低程度弱。

c. 下一步研究重點是雙饋風機與直驅(qū)風機動態(tài)特性及大規(guī)模接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的區(qū)別，為新建風電場機組的選型提供理論和技術支持。

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Effect on Transient Stability of Power System for DPMSG Wind Farm

LI Wei，GUAN Jian
（Jilin Electric Power Survery＆Design Institute，Changchun，Jilin 130022，China）

The impact of large scale wind farm using the models of DPMSG （direct?driven wind turbine with permanent magnet syn?chronous generators）on power system transient stability is studied in this paper.In theory，the transient stability mechanism of DPMSG is analyzed.Based on mathematical model of wind farms，transient stability charactered CCT（critical clearing time）is simulated when grid default is occurred.Through simulation，the impact of wind farms and generators on grid transient stability is revealed，the theoret?ical analysis is verified.There is conclusions that whether transient stability is weaken or strengthened by DPMSG depends on its output power，the impact level of DPMSG is lower than generator.

Wind farm；DPMSG；Transient stability；CCT

TM614；TM712

A

1004-7913（2015）11-0027-04

李 偉 （1974—），男，博士，工程師，現(xiàn)從事電網(wǎng)規(guī)劃及設計工作。

2015-08-10）