基于MATLAB的牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響研究

漆家煒　夏欣倩　董惠婷　沈云

[摘要]隨著電氣化鐵路的普及以及風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，我國(guó)較多地區(qū)電網(wǎng)將出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與牽引負(fù)荷并存的局面。與此同時(shí)，牽引負(fù)荷帶來(lái)的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)問(wèn)題在境內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起。本文在當(dāng)前研究顯示的牽引負(fù)荷影響因素：負(fù)序電流、諧波等基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB/Simulink中風(fēng)電場(chǎng)平均值模型，仿真并分析了牽引負(fù)荷造成的負(fù)序電流和諧波對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的影響。最后對(duì)上述諧波與負(fù)序電流的改善給出相關(guān)建議。

[關(guān)鍵詞]牽引負(fù)荷；風(fēng)電場(chǎng)平均值模型；諧波；負(fù)序電流；simulink

“十一五”期間我國(guó)鐵路將建成新線1.7萬(wàn)公里，2010年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)9萬(wàn)公里以上，其中電氣化率達(dá)45%以上。根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》。到2020年中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12萬(wàn)公里，電氣化鐵路總里程將達(dá)到一半。而在能源緊缺與環(huán)境惡化的雙重壓力下，世界可再生能源發(fā)展迅速，其中技術(shù)較為成熟的當(dāng)屬風(fēng)電。隨著電氣化鐵路的普及以及風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，我國(guó)較多地區(qū)電網(wǎng)將出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與牽引負(fù)荷同時(shí)并存的局面。牽引負(fù)荷屬于大功率單相整流負(fù)荷，諧波含量豐富，投入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。由于負(fù)荷的劇烈波動(dòng)性和隨機(jī)性以及牽引供電回路的不平衡性，目前實(shí)際電網(wǎng)已出現(xiàn)牽引負(fù)荷帶來(lái)的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的問(wèn)題。本文利用MATLAB/simulink中風(fēng)電場(chǎng)平均模型，研究牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性的影響，并提出相應(yīng)整改措施及建議。

1模型及仿真系統(tǒng)

1.1風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)模型

基于DFIG的變速風(fēng)電機(jī)組模型目前在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)研究中使用較多，DFIG其轉(zhuǎn)子與定子間接有變流器，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

研究中，由于研究?jī)?nèi)容為牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整體影響，并不關(guān)心風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部潮流分布，可將多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行視為風(fēng)電場(chǎng)。

1.2牽引負(fù)荷模型

電力系統(tǒng)負(fù)荷分為常規(guī)負(fù)荷及特殊負(fù)荷，其中特殊負(fù)荷包括廣義負(fù)荷及沖擊性負(fù)荷（如煉鋼、硅鐵及電解鋁負(fù)荷等）。文獻(xiàn)采用“感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)牽引電機(jī)和恒阻抗”的負(fù)荷模型描述牽引供電系統(tǒng)，文獻(xiàn)給出了韶山的SS8型電力機(jī)車主電路及數(shù)學(xué)模型。牽引負(fù)荷屬于電力系統(tǒng)特殊負(fù)荷，模型結(jié)構(gòu)的確定是當(dāng)前特殊負(fù)荷建模的難點(diǎn)。不同類型沖擊性負(fù)荷的物理特性差異較大，其模型結(jié)構(gòu)也存在較大的差異。即使對(duì)于同一類型的特殊負(fù)荷，其模型結(jié)構(gòu)目前也存在爭(zhēng)議。

本次研究中并未涉及詳細(xì)牽引負(fù)荷建模，而是根據(jù)現(xiàn)有的一些研究：（1）電氣化鐵路供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)沿途的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生影響；（2）電氣化鐵路諧波對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響等采用等效思想，主要分析牽引負(fù)荷所引起的負(fù)序電流和諧波等問(wèn)題，結(jié)合Simulink仿真來(lái)研究對(duì)風(fēng)電場(chǎng)影響。對(duì)于負(fù)序電流影響，采用簡(jiǎn)單的三相不對(duì)稱阻感性負(fù)載模擬；對(duì)于諧波影響，采用向DFIG網(wǎng)側(cè)變流器中A、C相分別注入3、5次諧波模擬。

1.3仿真系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象是牽引負(fù)荷特性對(duì)沿途風(fēng)電場(chǎng)的影響，采取的是基于MATLAB中附帶的風(fēng)電場(chǎng)平均模型進(jìn)行仿真研究，考慮各影響因素下進(jìn)行模擬仿真，并未對(duì)應(yīng)于實(shí)際電力系統(tǒng)。在Simulink中該模型可利用語(yǔ)句power_wind_dfig_avg直接調(diào)用，6臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)B575母線接入主變升壓并入無(wú)窮大電網(wǎng)，

2牽引負(fù)荷的負(fù)序電流對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響

與常規(guī)負(fù)荷相比，牽引負(fù)荷具有劇烈波動(dòng)性和隨機(jī)性以及牽引供電回路的不平衡性，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)不對(duì)稱的負(fù)序和零序電流。因主變大都采用Yd11接線，零序電流無(wú)法流通到風(fēng)電機(jī)組。故只有負(fù)序。模型仿真結(jié)構(gòu)示意圖與simulink模型圖分別如圖2所示。

三相不對(duì)稱負(fù)載將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生負(fù)序電流，使得發(fā)電機(jī)氣隙中建立相對(duì)于轉(zhuǎn)子2倍速的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子鐵芯等部件感應(yīng)出100Hz的倍頻電流。該電流很可能灼傷轉(zhuǎn)子上電流密度較大的部位。此外，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流之間以及正序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子負(fù)序電流之間所產(chǎn)生的100Hz交變電磁轉(zhuǎn)矩，將同時(shí)作用在轉(zhuǎn)子大軸和定子機(jī)座上，從而引起100Hz的振動(dòng)，威脅電機(jī)的安全。

負(fù)序電流注入風(fēng)電機(jī)組，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出力與正常時(shí)顯示出不同。仿真結(jié)果如圖3、4所示。研究發(fā)現(xiàn)：正常即三相平衡時(shí)，機(jī)組輸出的有功和無(wú)功功率較平緩，而在接入三相不對(duì)稱負(fù)載后，機(jī)組輸出的有功功率和無(wú)功功率均出現(xiàn)倍頻波動(dòng)。3牽引負(fù)荷的諧波對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響

牽引負(fù)荷為大功率單相整流負(fù)荷，屬于電網(wǎng)中典型的不對(duì)稱諧波源，其諧波含量豐富，以3、5、7次諧波為主。在電鐵運(yùn)行過(guò)程中，其產(chǎn)生的不平衡諧波主要以電流形式存在。為此，在simulink模型仿真中，設(shè)定v次電流諧波表示為：

注入風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器A、C相的3、5次諧波電流仿真如圖5所示。其中諧波電流源大小考慮到負(fù)序電流從系統(tǒng)注入風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變壓器發(fā)生變化，可在網(wǎng)側(cè)將負(fù)序電流設(shè)定為400A。仿真結(jié)果：

4結(jié)論

本文基于牽引負(fù)荷帶來(lái)的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的問(wèn)題，在當(dāng)前研究的牽引負(fù)荷影響因素負(fù)序電流、諧波等基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB/Simulink中風(fēng)電場(chǎng)平均值模型，仿真分析了牽引負(fù)荷造成的負(fù)序電流和諧波對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的影響。結(jié)果表明牽引負(fù)荷帶來(lái)的諧波使風(fēng)電場(chǎng)低壓母線電流出現(xiàn)波動(dòng)，其負(fù)序電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率有較大影響。

基于諧波造成的影響，建議在電力機(jī)車牽引站母線上裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備SVC，利用其濾波功能對(duì)大功率單相整流負(fù)荷帶來(lái)的諧波加以改善。同時(shí)可以改善負(fù)序電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。此外，建議鐵路部門在修繕鐵路時(shí)，適當(dāng)偏離大規(guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，避免相近地點(diǎn)大功率牽引負(fù)荷與風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)接入電網(wǎng)，從根本上避免牽引負(fù)荷引起風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)問(wèn)題。

[責(zé)任編輯：王偉平]