影響風力發(fā)電機組并網系統穩(wěn)定性的因素分析

彭亮

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054）

影響風力發(fā)電機組并網系統穩(wěn)定性的因素分析

彭亮

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054）

為提高風力發(fā)電機組并網系統的穩(wěn)定性，本文以雙饋感應發(fā)電機為研究對象，研究風力發(fā)電機組并網時影響電力系統穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應發(fā)電機以及其控制系統的模型，并對其進行分析，然后建立風力發(fā)電機組并網系統的仿真模型，并對其進行計算機仿真，研究風力發(fā)電機組并網對電路系統造成的影響。仿真結果顯示，在沒有附加控制條件的情況下，基于DFIG的風電場其穩(wěn)定性較差，容易在系統受到擾動時被切除處電網系統，因此，為了保證風力發(fā)電機組并網系統的穩(wěn)定性，使并網系統能夠在受到擾動后很快恢復穩(wěn)定狀態(tài)，必須對其增加附加控制條件。

風力發(fā)電機組并網；系統穩(wěn)定性；雙饋感應發(fā)電機；計算機仿真

風能作為可再生能源的一種，在實際應用中不會形成大量的噪音或氣體，其原動力源自風，環(huán)保度高且“取之不竭，用之不盡”。以風能為原動力的風能發(fā)電機具備獨一無二的優(yōu)勢，即風力發(fā)電廠建設速率快，經濟與社會效益顯著，屬于分散裝置，裝機自主靈活度高[1-2]。在國內電力事業(yè)高速發(fā)展、能源緊缺的背景下，我國為進一步改善電源結構、滿足節(jié)能減排需求，將加大清潔能源的發(fā)電效率，把風力發(fā)電歸入能源發(fā)展戰(zhàn)略中，風力發(fā)電機組并網作為新能源而成為研究重點[3-4]。但因其存在不平衡、隨機特征，風場輸出功率無法保持靜態(tài)化，導致并網不能正常運作，對風電場規(guī)模的開拓造成負面影響。為保證風力發(fā)電的高效應用，推動現代社會的可持續(xù)發(fā)展，避免電網失去平衡，如何保障風力發(fā)電機組并網的系統穩(wěn)定性是當前迫切需要處理的問題[5-7]。

目前風電與電網相接主要是通過大功率風電場來實現的，因而其大多直接與輸變電壓器相連接，這將會對電網的穩(wěn)定性帶來很大的影響，我們必須要研究風電廠并網對整個電力系統的動態(tài)特性所造成的影響[8]。通常風電系統中風機主要使用能夠直接用于并網的恒速感應電動機（FSIG），或者經過電力電子變換器變換后能夠并網的雙饋感應發(fā)電機（DFIG）。文中以雙饋感應發(fā)電機為研究對象，研究風力發(fā)電機組并網時影響電力系統穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應發(fā)電機以及其控制系統的模型，并對其進行分析，然后建立風力發(fā)電機組并網系統的仿真模型，并對其進行計算機仿真，研究風力發(fā)電機組并網對電路系統造成的影響。

1 風力發(fā)電系統模型

探討風力發(fā)電機組并網的系統穩(wěn)定性，首先要基于電力系統仿真計算程序來構建風電機組模型。其系統穩(wěn)定性著重分析風電機組內感應發(fā)電機的運作、電網和發(fā)電機的電磁作用，風電機組架構則借助風力機風輪空氣動力學與風電機組的柔性軸系模型來闡述。

風電機組并網雙饋建模，可選擇槳距角調節(jié)合理利用風能，降低風電機組機械構件的受力，在風速超出限定風速時需控制風力機槳距角，完成功率輸出。調節(jié)轉子回路，調成電網測變流器與轉子側變流器，基于IGBT導通與關斷來控制雙饋型感應發(fā)電機轉子勵磁電流[9-11]。通過雙饋型風電機組能完成對無功功率與有功功率的解耦控制，進而實現對風力發(fā)電機組的整體控制。

如圖1所示，風力系統主要由風力機，變速齒輪箱，機側變頻器，網側變頻器，電網等組成。本文中風電系統的發(fā)電機采用雙饋感應發(fā)電機，其定子繞組直接與電網相連，并經由兩個相背對的PWM變流器將電流接入電網。對轉子繞組通入變頻電流，使其產生變化的磁場，從而在定子中產生感應電動勢，進而產生感應電流，形成電磁場，使轉子在定子產生的磁場中受磁場力而轉動，實現風電機組的變速恒頻轉動[12]?？赏ㄟ^對轉子通入不同頻率的電流來完成無功功率和有功功率的解耦控制，而風能轉換成電能的效率則是通過控制槳距角來實現[13]。

圖1 風電系統結構圖

1.1 風機數學模型

風力發(fā)電系統的功能就是將風能轉化為機械能，再通過發(fā)電機將得到的機械能轉化為電能，實現風力發(fā)電。在風能與機械能的轉變過程中，其主要是通過風吹動風機的葉片使其帶動風機轉子轉動，將風能轉變?yōu)轱L機轉動的機械能。風速與空氣動力的功率關系如式（1）所示：

空氣動力轉矩如式（2）所示：

其中ρ為空氣密度，R為風機葉片半徑，β為槳距角，wwr為風機轉速，vweq為等效風速，λ為葉尖速比，其等于葉片半徑與風機轉速乘積與等效風速之比，Cp為風能轉化為電能的效率，其由葉尖速比和槳距角決定，關系式如式（3）所示：

其中 λi由式（4）決定。

1.2 軸系模型

并網雙饋風電系統的機械傳動模塊承擔著將風能轉化為機械能以及將機械能轉變?yōu)殡娔艿慕巧?，當風力吹動風機葉片時帶動低速傳動軸轉動，經過變速齒輪箱帶動高速傳動軸的轉動，而高速傳動軸與發(fā)電機相連，從而帶動發(fā)電機轉子轉動產生電，完成從風能到機械能再到電能的轉換[14-15]。為了方便模型的建立，本文將傳統模塊中的傳動軸，變速齒輪箱，發(fā)電機等部分等效為一個個質點，通過一階慣性環(huán)節(jié)進行描述，如式（5）所示：

其中Pm為發(fā)電機轉子功率，Pw為風機機械功率，Jd為機械傳動慣性時間常數。

1.3 發(fā)電機組控制系統

雙饋風力發(fā)電機組有兩種控制方式，一種是通過控制槳距角來實現對發(fā)電機組的控制，一種是通過變流器來改變通入風力機轉子的電流從而控制感應電動勢來達到控制發(fā)電機組的控制。

1）槳距角控制系統

當實際風速等于額定風速時，主要通過控制槳距角來控制發(fā)電機組，其系統框架如圖2所示。由于自然風具有不穩(wěn)定性，風速以及風向的改變將影響風機來捕獲風能，此時可通過調節(jié)槳距角來改變風機葉片與風向的相對角度，從而調節(jié)風機來捕獲風能[16-17]。

圖2 槳距角控制系統結構圖

而在控制槳距角的過程中，可以使用兩種調節(jié)方式，一種是根據電網系統中反饋回來的調度信號來對槳距角進行調節(jié)，二是通過將風機的實際輸出有功功率PEmeas與風機的最大輸出有功功率PEref相減得到差值并代入到PI控制器中以獲取參考值βREF，從而將偏差值輸入系統中來控制槳距角。

2）雙饋電動機變流器控制器

當實際風速小于額定風速時，主要通過變流器來改變通入風力機轉子的電流從而控制感應電動勢來達到控制發(fā)電機組的控制[18-19]。

文中所采用的發(fā)電機組控制系統如圖3所示，其中變流器控制系統包括機側變流器以及網測變流器控制。

圖3 發(fā)電機組控制系統結構圖

1）側變流器控制

雙饋風力發(fā)電機組利用側變流器對通過轉子的電流進行改變從而使感生電動勢發(fā)生變化，對發(fā)電機轉子的轉速進行調控，實現有功功率以及無功功率的解耦控制。目前來說，較為常見的控制方法主要是以定子磁鏈定向為基礎的的矢量控制法，該方法將定子合成磁鏈定義為dq同步旋轉坐標系的d軸，同時通過建立發(fā)電機三階模型，獲得發(fā)電機組矢量控制系統，其結構如圖4所示。

圖4 側變流器控制結構圖

2）網側變流器控制

網側變流器的矢量控制的功能是能夠在風電發(fā)電系統網側變流器與電網之間進行無功功率以及有功功率解耦。對于有功功率的調節(jié)，可以通過改變有功電流的分量大小，保持直流母線的電壓處于恒定值狀態(tài)。對于無功功率的調節(jié)，可以通過改變無功電流風量大小來實現。

2 風電系統仿真

風力發(fā)電機組并網系統穩(wěn)定性是指風電系統在受到外部擾動后系統各母線的電壓始終能夠處于系統誤差允許的范圍內。本文對風力發(fā)電機組并網系統在受到擾動時的動態(tài)響應特性進行研究來探究不同因素對風力發(fā)電機組并網系統穩(wěn)定性的影響。

2.1 仿真系統

為了對文中所建立的槳距角控制模型的合理性，本文建立了并網風電系統作為仿真系統，其結構如圖6所示。該風電系統風電場采用雙饋風力發(fā)電機，運行時向并網系統輸出有功功率，并從電網消耗無功功率。

文中用于試驗的風電并網系統其風電系統由6臺型號相同的雙饋風力發(fā)電機組構成，每臺風機的額定功率高達1.5 MW，將所有風機用一個仿真模塊來等效表示，通過Matlab軟件進行仿真模型的搭建。如圖5所示，風電場的輸出電壓為690V，經過升壓變壓器變壓后電壓增大至25kV，再通過40km的架空線后再次經過升壓變壓器將電壓增大至120kV，最后連接到電網。

圖5 仿真系統

2.2 并網風電系統電壓穩(wěn)定性仿真分析

為了研究風力發(fā)電機組并網對電力系統電壓穩(wěn)定性的影響，分別對120kV處施加電壓降落以及25kV處將單相以及兩相接地模擬故障發(fā)生，從而進行仿真分析。

1）120kV側發(fā)生電壓降落

假設在15秒處120kV側電壓下降了0.2p.u.，通過仿真得到仿真結果，如圖6所示。圖6（a）從上往下分別為電壓圖，風速圖；圖6（b）從上往下分別為風電場輸出電壓，風電場輸出有功功率P以及風機轉速。

圖6 120kV側發(fā)生電壓降落波形圖

由圖6（a）可以看出，當在15秒時電壓下降了0.2p.u.，但由于由槳距角以及變流器的相互協調控制，輸出電壓基本能保存穩(wěn)定，而輸出有功功率在短暫下降后又能重新恢復到原來的大小。而在48.5秒左右，此時實際風速超過了額定風度，系統啟動過速度保護將風電系統切除，因而在圖6（b）中可以看到在48.5秒以后風電場的輸出有功功率為0，此時風電場被系統切除。

2）25kV側發(fā)生單相接地故障

風電場輸出電壓在經過升壓變壓器升壓后從690V增加至25kV。假設當時間處于15秒時變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其A相單相接地，并且在0.1s內又恢復正常，對系統進行仿真，仿真結果如圖7所示，其中圖7（a）從上至下分別為25kV以及690V側ABC三相電壓，7（b）從上至下分別為風電機轉速以及輸出有功功率。

圖7 25kV處A相單相接地故障波形圖

由圖可以看出，當變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其A相單相接地時，故障處A相電壓下降為0，而B，C兩相變?yōu)?.2p.u.，而風電場輸出口的電壓也受到影響，其下降為0.55p.u.。與此同時，風電場輸出有功功率也受到了影響，但系統靠自身調節(jié)馬上就恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出有功功率也馬上恢復到原來的大小。而在48.5秒左右，此時實際風速超過了額定風度，系統啟動過速度保護將風電系統切除，因而在圖7（b）中可以看到在48.5秒以后風電場的輸出有功功率為0，此時風電場被系統切除。

3）25kV側發(fā)生兩相接地故障

假設當時間處于15秒時變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其AB相單相接地，電壓在0.1秒后恢復正常，對這一情況進行仿真，其仿真結果如圖8所示。其中圖8（a）從上至下分別為25kV以及690V側ABC三相電壓，8（b）從上至下分別為風電機轉速以及輸出有功功率。

由圖 8（a）可得，當變壓器T2的25kV處發(fā)生故障，其AB相單相接地時，故障處AB兩相電壓下降為0，而C項電壓為1.4p.u.，而風電場輸出口的電壓也受到影響，其下降為0.1p.u.。從圖8（b）可以看到，在15.11秒時，由于放電機轉速過小，輸出電壓過低而啟動低壓保護措施，此時風電場的輸出有功功率為0，風電場被系統切除。

圖8 25kV處AB相單相接地故障波形圖

3 結束語

為了提高風力發(fā)電機組并網系統的穩(wěn)定性，本文以雙饋感應發(fā)電機為研究對象，研究風力發(fā)電機組并網時影響電力系統穩(wěn)定性的因素，首先建立雙饋感應發(fā)電機以及其控制系統的模型，并對其進行分析，然后建立風力發(fā)電機組并網系統的仿真模型，并對其進行計算機仿真，研究風力發(fā)電機組并網對電路系統造成的影響。仿真結果顯示，在沒有附加控制條件的情況下，基于DFIG的風電場其穩(wěn)定性較差，容易在系統受到擾動時被切除處電網系統，因此，為了保證風力發(fā)電機組并網系統的穩(wěn)定性，使并網系統能夠在受到擾動后很快恢復穩(wěn)定狀態(tài)，必須對其增加附加控制條件。

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Analysis of factors to affect stability of grid connected wind turbines system

PENG Liang
（Electrical and Controlling Engineering Academy，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

In order to improve the stability of grid connected wind power generation system，this paper studies the factors that affect the stability of power system.Firstly，the model of the doubly fed induction generator and its control system is established and analyzed.Then，the simulation model of the gridconnected system of the wind turbine is established and the computer simulation is carried out to study the influences on the wind turbine generating system and the circuit system.The simulation results show that the DFIG-based wind farm is less stable and has no additional control conditions.It is easy to be cut off at the system when the system is disturbed.Therefore，in order to ensure the stability of the wind turbine system，So that the grid-connected system can quickly become stable after being disturbed and must add additional control conditions to it.

wind turbine grid-connected； system stability； doubly fed induction generator； computer simulation

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0085-05

2016-12-29稿件編號：201612219

彭 亮（1990—），男，陜西漢中人，碩士研究生。研究方向：電力系統自動化綜合控制。