并網(wǎng)雙饋風(fēng)力機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)研究

呂 勇，雷 濤，黃國華，馬淑慧，張 奇

?

并網(wǎng)雙饋風(fēng)力機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)研究

呂 勇1，雷 濤1，黃國華1，馬淑慧1，張 奇2

(1.國網(wǎng)淮北供電公司，安徽 淮北 235000；2.秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

中國大型風(fēng)電場的建立，使得大容量風(fēng)功率需交流輸電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸送。風(fēng)力機(jī)通過含串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕涣鬏旊娤到y(tǒng)外送功率時(shí)，可能誘發(fā)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(Induction Generator Effect，IGE)，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，從理論角度分析了影響感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)的因素；采用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法，計(jì)算了串補(bǔ)度、輸電線路電阻及風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)的電氣阻尼，最后進(jìn)行了時(shí)域仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，串補(bǔ)度的增大、風(fēng)速的減小及輸電線路電阻的減小可以增大系統(tǒng)的電氣負(fù)阻尼。當(dāng)系統(tǒng)等效電氣負(fù)阻尼大于定子和輸電系統(tǒng)等效正阻尼之和時(shí)，將導(dǎo)致輸出功率發(fā)散振蕩，即產(chǎn)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(IGE)；復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；電氣阻尼

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國面臨的環(huán)境問題日益突出，霧霾天氣頻發(fā)，發(fā)展清潔能源，迫在眉睫。風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，在中國儲(chǔ)量豐富。近幾年，在國家政策的指導(dǎo)下，風(fēng)電迅猛發(fā)展，截止到2012年底，中國一躍成為世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家[1]。中國的風(fēng)力資源與負(fù)荷中心呈逆向分布，大規(guī)模風(fēng)功率通常選擇經(jīng)交流輸電線路外送。為提高線路的傳輸容量，常采用串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)姆绞?。大?guī)模風(fēng)電經(jīng)帶串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕涣鬏旊娋€路外送時(shí)，可能在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中誘發(fā)類似于汽輪發(fā)電機(jī)組的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)，引起功率振蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定[2-4]。

文獻(xiàn)[5]指出，感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)是自勵(lì)磁的一種，也是次同步振蕩現(xiàn)象的一種。同步發(fā)電機(jī)組在帶容性負(fù)載或經(jīng)串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)木€路接入系統(tǒng)時(shí)，在滿足一定的條件下可能發(fā)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。文獻(xiàn)[6-7]指出風(fēng)力機(jī)軸系剛度較小，自然扭振頻率低(1~2 Hz)，需極高的串補(bǔ)度才能激發(fā)機(jī)電扭振互作用。因此，感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(Induction Generator Effect，IGE)是雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)交流輸電系統(tǒng)外送功率的主要問題。因此，研究和分析大規(guī)模雙饋風(fēng)場外送功率時(shí)，由串聯(lián)補(bǔ)償電容參數(shù)設(shè)置不當(dāng)激發(fā)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

本文針對該問題展開討論，建立了雙饋風(fēng)力機(jī)通過串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕涣鬏旊娋€路接入交流無窮大系統(tǒng)的模型，通過理論分析了串補(bǔ)度、風(fēng)速對感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)的影響，利用測試信號(hào)法，計(jì)算了串補(bǔ)度、風(fēng)速及輸電線路電阻變化時(shí)的電氣阻尼曲線，并進(jìn)行了時(shí)域仿真驗(yàn)證。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用串補(bǔ)交流系統(tǒng)外送功率模型如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力機(jī)采用串補(bǔ)交流系統(tǒng)外送示意圖

圖1中，0為無窮大交流系統(tǒng)母線電壓，s為雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓，L為線路電阻，L為線路電抗、C為串聯(lián)電容的電抗，T為變壓器電抗。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用矢量控制，通過控制轉(zhuǎn)子軸電流，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)有功、無功或電壓的解耦控制。常用的控制策略為定子電壓定向(Stator Voltage Oriented，SVO)和定子磁鏈定向(Stator Flux Oriented，SFO)，在忽略定子電阻時(shí)，這兩種方式是等效的[8-9]。本文中定子側(cè)變換器(Grid Side Converter，GSC)采用定子定電壓定向控制策略，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(Rotor Side Converter，RSC)采用定子磁鏈定向的控制策略。

2 感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)機(jī)理分析

發(fā)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場必須保持相對靜止。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子采用交流勵(lì)磁變換器勵(lì)磁，當(dāng)風(fēng)速變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率做相應(yīng)的變化，保證定子輸出頻率恒定[8,10-11]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，與汽輪發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)不同。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

式(1)中：1為定子磁場的同步轉(zhuǎn)速；2為轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；r為轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速，與之對應(yīng)的r為轉(zhuǎn)子頻率。

圖1所示含串補(bǔ)輸電線路的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)對無窮大系統(tǒng)模型自然諧振頻率[12]er。

式(2)中：0=50 Hz，為系統(tǒng)工頻；LΣ為工頻下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等值電抗、變壓器電抗及線路電抗之和；C為工頻下，串補(bǔ)電容的電抗，且C=×L；為線路串補(bǔ)度。通常er<0，所以諧振頻率er又叫次同步頻率。

在次同步頻率下，DFIG轉(zhuǎn)子滑差為

式(3)中：r為轉(zhuǎn)子頻率，通常er

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用串補(bǔ)交流系統(tǒng)外送功率模型等效電路如圖2所示。

圖2 用于分析感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)的等效電路圖

圖2中，r為雙饋風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子漏抗，s為雙饋風(fēng)力機(jī)的定子漏抗，m為勵(lì)磁電抗，XLΣ為除去雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等值電抗的值，req為雙饋風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子等效電阻，在次同步頻率er下：

聯(lián)立式(3)、式(4)得：

(5)

可知，轉(zhuǎn)子在次同步頻率下的等效電阻req呈負(fù)值，且|req|隨er的增大而增大，隨r的減小而增大，即|req|隨串補(bǔ)度的增大而增大，隨風(fēng)速的減小而增大。當(dāng)|req|大于定子和輸電系統(tǒng)在該諧振頻率下的等效電阻之和時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)電阻值為負(fù)值，將導(dǎo)致線路電流持續(xù)發(fā)散振蕩，即系統(tǒng)產(chǎn)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)[13-16]。

3 復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法及電氣阻尼分析

3.1 復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法[2]的基本原理

對于待研究的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在小擾動(dòng)作用下，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的增量為

式(6)中：eΔ為同步轉(zhuǎn)矩；eΔ為阻尼轉(zhuǎn)矩；e和e被稱為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Δ和Δ為相對于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的功率角增量和角速度增量。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

(8)

聯(lián)立式(8)、式(9)得：

(10)

因此，求解系統(tǒng)的電氣阻尼，可以為判斷是否發(fā)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)，提供依據(jù)。

3.2 電氣阻尼曲線

3.2.1 串補(bǔ)度變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的仿真系統(tǒng)，設(shè)置串補(bǔ)度為20%(C=0.2 p.u.)和60%(C=0.3 p.u.)，繪制電氣阻尼曲線，如圖3所示。

圖3 串補(bǔ)度變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

由圖3可知，在一固定串補(bǔ)度下，非諧振頻率時(shí)電氣阻尼為零，在滿足諧振條件頻率附近時(shí)，系統(tǒng)電氣阻尼為負(fù)，其絕對值急劇增大，在諧振點(diǎn)達(dá)到最大值；不同串補(bǔ)度對應(yīng)的諧振頻率不同，串補(bǔ)度越高，諧振頻率越高，負(fù)阻尼作用越明顯。

3.2.2 輸電線路電阻變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

保持其他參數(shù)不變，設(shè)置線路電阻分別為0.04 p.u.、0.06 p.u.、0.08 p.u.，進(jìn)行仿真，繪制系統(tǒng)電氣阻尼曲線，如圖4所示。

圖4 輸電線路電阻變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

3.2.3 風(fēng)速變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

保持系統(tǒng)中其他參數(shù)不變，改變風(fēng)速給定值，設(shè)置風(fēng)速為9 m/s、11 m/s、13 m/s三種情況，繪制的電氣阻尼曲線，如圖5所示。

圖5 風(fēng)速變化對電氣阻尼系數(shù)的影響

由圖5知，風(fēng)速的變化對電氣諧振頻率沒有影響，但會(huì)改變等效電阻的值。隨著風(fēng)速的增大等效電阻的絕對值減小。

4 時(shí)域仿真驗(yàn)證

4.1 串補(bǔ)度對IGE影響的仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink中搭建如圖1所示系統(tǒng)仿真模型，改變線路串補(bǔ)度，得到不同串補(bǔ)度有功和無功功率振蕩曲線如圖6所示。

圖6 不同串補(bǔ)度下有功和無功功率振蕩曲線

由圖6可知，當(dāng)串補(bǔ)度為20%時(shí)，有功和無功功率振蕩收斂；當(dāng)串補(bǔ)度由20%提高到40%時(shí)，有功和無功功率等幅振蕩；當(dāng)串補(bǔ)度由40%提高到60%時(shí)，有功和無功功率振蕩發(fā)散。仿真結(jié)果表明，隨著串補(bǔ)度的提高，輸送功率由收斂變?yōu)榘l(fā)散，且線路串補(bǔ)度越高，IGE現(xiàn)象越明顯。

4.2 輸電線路電阻對IGE影響的仿真驗(yàn)證

保持其他參數(shù)不變，改變線路電阻的數(shù)值，取輸電線路電阻為0.04 p.u.、0.06 p.u.、0.08 p.u.三種情況，得到不同輸電線路電阻下有功和無功功率振蕩曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著輸電線路電阻的增大，輸出功率由發(fā)散變?yōu)槭諗?。輸電線路提供的正阻尼可以抵消串聯(lián)電容補(bǔ)償引入的負(fù)阻尼，抑制感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

4.3 風(fēng)速對IGE影響的仿真驗(yàn)證

保持其他參數(shù)不變，改變風(fēng)速給定值，設(shè)定風(fēng)速分別為9 m/s、11 m/s、13 m/s三種情況，得到不同風(fēng)速下有功和無功功率振蕩曲線如圖8所示。

圖8 不同風(fēng)速下功率振蕩曲線

由圖8可知，當(dāng)風(fēng)速為9 m/s時(shí)，有功和無功功率振蕩發(fā)散；當(dāng)風(fēng)速由9 m/s提高到11 m/s時(shí)，功率等幅振蕩；當(dāng)風(fēng)速由11 m/s提高到13 m/s時(shí)，功率收斂。仿真結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增大，功率由發(fā)散變?yōu)槭諗?，且風(fēng)速越低，IGE現(xiàn)象越明顯。

5 結(jié)論

(1) 串聯(lián)補(bǔ)償電容給系統(tǒng)引入負(fù)阻尼；不同串補(bǔ)度對應(yīng)的諧振頻率不同，且串補(bǔ)度越高，諧振頻率越高，負(fù)阻尼作用越明顯；當(dāng)串補(bǔ)度超過40%時(shí)，電氣負(fù)阻尼大于系統(tǒng)正阻尼，引發(fā)系統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

(2) 輸電線路的電阻變化，不改變電氣諧振的頻率，但對電氣阻尼系數(shù)有很大的影響，電阻越大，電氣諧振點(diǎn)的負(fù)阻尼越??；當(dāng)輸電線路電阻小于0.06時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

(3) 風(fēng)速的變化不影響電氣諧振頻率，但會(huì)改變等效電阻的值。隨著風(fēng)速的減小等效負(fù)阻尼增大；當(dāng)風(fēng)速低于11 m/s時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

[1] 李俊峰. 2013中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2013.

[2] 徐政. 交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[3] 畢天姝, 孔永樂, 肖仕武, 等. 大規(guī)模風(fēng)電外送中的次同步振蕩問題[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 10-15.

BI Tianshu, KONG Yongle, XIAO Shiwu, et al. Review of sub-synchronous oscillation with large-scale wind power transmission[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2012, 27(1): 10-15.

[4] 任先文, 孔祥實(shí), 令曉偉. 基于時(shí)滯反饋控制系統(tǒng)抑制次同步諧振[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 40(17): 24-29.

REN Xianwen, KONG Xiangshi, LING Xiaowei. Mitigating subsynchronous resonance (SSR) using delayed feedback control system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 40(17): 24-29.

[5] 程時(shí)杰, 曹一家, 江全元. 電力系統(tǒng)次同步振蕩的理論與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[6] FAN L L, KAVASSERI R, MIAO LEE Z X, et al. Modeling of DFIG-based wind farms for SSR analysis[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010, 25(4): 2073-2082.

[7] OSTADI A, YAZDANI A, VARMA R K. Modeling and stability analysis of a DFIG-based wind-power generator interfaced with a series-compensated line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(3): 1504-1514.

[8] 賀益康, 胡家兵, 徐烈. 并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[9] 張寶群, 張伯明, 吳文傳. 基于小干擾穩(wěn)定的雙饋感應(yīng)電機(jī)電磁模型降階分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(10): 51-55.

ZHANG Baoqun, ZHANG Boming, WU Wenchuan. Small signal based reduced electromagnetic model analysis of double fed induction generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(10): 51-55.

[10] AKHMATOVV. 風(fēng)力發(fā)電用感應(yīng)發(fā)電機(jī)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[11] ANAYA-LARA O. 風(fēng)力發(fā)電的模擬與控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[12] 倪以信, 陳壽孫, 張寶霖. 動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)理論和分析[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

[13] 劉皓明, 唐俏俏, 朱凌志, 等. 雙饋型風(fēng)電場參與電壓無功調(diào)節(jié)的分層控制方案[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(24): 80-85.

LIU Haoming, TANG Qiaoqiao, ZHU Lingzhi, et al.Hierarchical control strategy of voltage and reactive power for DFIG wind farm[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(24): 80-85.

[14] 王以笑, 張新昌, 路進(jìn)升, 等. 基于DIgSILENT的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(3): 49-55.

WANG Yixiao, ZHANG Xinchang, LU Jinsheng, et al.Modeling and simulation of grid-connected PV system based on DIgSILEN software[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(3): 49-55.

(編輯 姜新麗)

Induction generator effect analysis of doubly-fed wind generator connected to the power system

Lü Yong1, LEI Tao1, HUANG Guohua1, MA Shuhui1, ZHANG Qi2

(1. State Grid Huaibei Power Supply Company, Huaibei 235000, China; 2. State Grid Qinhuangdao Electric Power Company, Qinhuangdao 066000, China)

The establishment of large-scale wind power bases makes large wind power capacity, long-distance transport inevitable. The wind power passing through a series capacitor compensated line may cause induction generator effect (IGE) issues. This paper establishes a doubly-fed wind power system model to analyze the factors that influence the induction generator effect. Complex torque coefficient method is used to calculate the electrical damping at different series compensation, transmission line resistance and wind speed. The results show that the increase of series compensation and the decrease of wind speed and transmission line resistance can increase electrical negative damping. When the electrical negative damping is greater than the stator and the equivalent resistance of the transmission system, it will lead to continued divergence line current oscillations, which produces the induction generator effect.

DFIG-based wind turbine; induction generator effect (IGE); complex torque coefficient; electrical damping

10.7667/PSPC151945

2015-11-05；

2016-01-07

呂 勇( 1973-)，男，本科，工程師，研究方向電網(wǎng)規(guī)劃；E-mail: 13956470666@139.com 雷 濤( 1983-)，男，本科，工程師，研究方向配電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行；E-mail: 13866882883@139.com 黃國華( 1970-)，男，本科，工程師，研究方向智能配電網(wǎng)。E-mail: 15309618029@163.com