風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

孟亞男，戚坤基，李秋晨，劉驍眸，陳 鵬

(1．中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司，沈陽 110000;2．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽 110000)

由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性和不確定性等特點，風(fēng)電單獨遠(yuǎn)距離輸送會威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運行［1-3］。采用風(fēng)電與近區(qū)火電以“打捆”的方式混合外送，不僅可滿足傳統(tǒng)能源和可再生能源大規(guī)模外送的基本要求，而且還有充分利用輸電通道，降低輸電價格和落地電價，是較為理想的輸電模式。我國“三北”地區(qū)蘊(yùn)含豐富的風(fēng)能和煤炭資源，而此地區(qū)煤炭儲量豐富，火力發(fā)電較為集中，存在重疊，這為風(fēng)火打捆提供了現(xiàn)實可能［4］。但是，風(fēng)火打捆能源基地處于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱，風(fēng)火打捆交流外送系統(tǒng)投入運行后易導(dǎo)致系統(tǒng)運行在接近極限的狀態(tài)，降低系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度［5-6］;而且，近電氣距離的風(fēng)、火的互交作用，使電網(wǎng)的動態(tài)特性變得愈加復(fù)雜，因此，隨著風(fēng)電等新興能源的大規(guī)模開發(fā)、利用及外送，深入研究風(fēng)火打捆外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，變得尤為迫切［7-8］。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡稱雙饋風(fēng)機(jī))憑借著其功率的控制靈活、運行范圍較大且風(fēng)能利用率較高等特點，受到風(fēng)電廠商和風(fēng)電場越來越多的關(guān)注，已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型［9-10］。由于雙饋風(fēng)機(jī)對外不體現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量，其機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間柔性連接，沒有功角穩(wěn)定問題，但會對與之打捆的火電同步機(jī)組帶來影響。本文將以雙饋風(fēng)機(jī)為例，分析有功無功的解耦運行和故障期間的暫態(tài)特性，并以此為基礎(chǔ)分析雙饋風(fēng)機(jī)接入對同步發(fā)電機(jī)功角穩(wěn)定的問題的影響。

1 雙饋風(fēng)機(jī)工作機(jī)理分析

雙饋風(fēng)機(jī)以普通的繞線式異步電機(jī)為基礎(chǔ)，外加了連接在轉(zhuǎn)子滑環(huán)和定子之間的變流器及控制系統(tǒng)。雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用交流勵磁，同步磁場角速度是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和勵磁繞組中的交流頻率產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場角速度共同決定的［11］。由于變流器的作用，雙饋風(fēng)機(jī)實現(xiàn)了機(jī)械部分和電氣部分解耦。

1．1 雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性

1．1．1 機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性

雙饋風(fēng)機(jī)在正常運行狀態(tài)下，工作點處于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線的最優(yōu)點。故障時，機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，此時運行點開始朝向轉(zhuǎn)速增加的方向進(jìn)行移動，從而使得機(jī)械轉(zhuǎn)矩降低。由等面積定則可知，上述情況使得功角曲線的加速面積減小，而減速面積增大，這對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是有利的。

1．1．2 轉(zhuǎn)子勵磁電流控制

雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率來改變。故障時，也可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率來保證功角不發(fā)生變化［12］。另外，故障中，雙饋風(fēng)機(jī)可以采用類似于同步機(jī)強(qiáng)勵的控制策略來改善暫態(tài)穩(wěn)定性，所以，雙饋風(fēng)機(jī)不存在和同步發(fā)電機(jī)一樣的動力學(xué)失穩(wěn)問題。

1．1．3 飛輪效應(yīng)

能量守恒方面，故障中，機(jī)組將部分不平衡能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動能，進(jìn)而轉(zhuǎn)子加速以減緩對電網(wǎng)的沖擊。故障清除后，機(jī)組再逐漸將能量釋放給電網(wǎng)，因此風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)特性要比同步機(jī)組好。

1．2 雙饋風(fēng)機(jī)的功率特性

雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用定子磁鏈定向矢量控制，也可采用電子電壓定向矢量控制，這兩種控制方式都可以對有功和無功實現(xiàn)解耦控制。

變速恒頻風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)運行時，通常按恒功率因數(shù)控制方式或恒電壓運行方式來考慮。

a．恒功率因數(shù)控制方式。在風(fēng)速給定的情況下，通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率特性曲線可以求得其有功功率。而對于轉(zhuǎn)子繞組，通過調(diào)節(jié)其外接電源的電壓幅值及相角，來維持風(fēng)機(jī)定子側(cè)的功率因數(shù)恒定。

b．恒電壓運行方式。在恒電壓運行方式下，若系統(tǒng)的電壓水平較正常偏低，變速恒頻風(fēng)機(jī)就提供一定的無功功率給系統(tǒng)，進(jìn)而支撐系統(tǒng)的電壓。由于變速恒頻風(fēng)機(jī)對無功功率是可以調(diào)節(jié)的，所以變速恒頻風(fēng)機(jī)就具有調(diào)節(jié)電壓的能力，變速恒頻風(fēng)機(jī)大多采用恒功率因數(shù)控制，將定子側(cè)輸出功率的功率因數(shù)保持為定值。

1．3 雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越特性

雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，要求雙饋風(fēng)機(jī)工作于恒功率因數(shù)方式，通常無功功率參考值為0。當(dāng)電網(wǎng)短路時，根據(jù)測得的實際電壓值判斷機(jī)組運行狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組機(jī)端跌落到大于 0．2 p．u．且小于 0．9 p．u．時，雙饋風(fēng)機(jī)的控制模式由穩(wěn)態(tài)運行模式切換為故障穿越控制模式，對系統(tǒng)的動態(tài)無功功率提供支撐［13］。故障清除后，再轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)運行控制模式，雙饋風(fēng)機(jī)的有功功率恢復(fù)。

1．4 雙饋風(fēng)機(jī)等效外特性

通過前文論述可知，正常運行時，雙饋風(fēng)機(jī)工作在恒功率因數(shù)控制方式下，電網(wǎng)故障期間，工作在恒電壓控制方式下，在雙饋風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，向系統(tǒng)注入一定容量的無功功率，故障清除后恢復(fù)為恒功率因數(shù)運行方式。

正常運行時，雙饋風(fēng)機(jī)工作于恒功率因數(shù)控制方式;故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)機(jī)所提供的有功功率降低，其控制模式是故障穿越控制模式，雙饋風(fēng)機(jī)會向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)電壓;故障切除后，雙饋風(fēng)機(jī)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行，有功出力和無功出力恢復(fù)正常。由此可見，把雙饋風(fēng)機(jī)簡化為負(fù)電阻和負(fù)電抗模型具有一定的合理性。

2 風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機(jī)理

2．1 風(fēng)火打捆系統(tǒng)

風(fēng)電場其近端未與常規(guī)電站“捆綁”的系統(tǒng)被稱為未捆綁系統(tǒng)。雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)是柔性聯(lián)結(jié)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沒有與電網(wǎng)頻率一致的要求，故不存在同步穩(wěn)定問題。

風(fēng)電場與常規(guī)電站進(jìn)行“捆綁”后，再經(jīng)高壓輸電線路接入到遠(yuǎn)方大系統(tǒng)的系統(tǒng)被稱為捆綁系統(tǒng)。對于捆綁系統(tǒng)，雖然風(fēng)電機(jī)組自身沒有同步穩(wěn)定性問題，但對與之捆綁的傳統(tǒng)火電機(jī)組的同步穩(wěn)定性將有較大影響。本文所提的風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性就是指同步機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2．2 風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析

根據(jù)經(jīng)典電力系統(tǒng)分析理論，單機(jī)無窮大系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)輸出功率PEq為［13］:

式中:Eq為同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢;U為接收端電壓;δ12為Eq與U之間的角度;Z11和Z12分別為同步發(fā)電機(jī)自阻抗和互阻抗;α11、α12分別為同步發(fā)電機(jī)自阻抗和互阻抗相應(yīng)阻抗角的余角。

2．2．1 故障前風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

故障前，雙饋風(fēng)機(jī)運行在恒功率因數(shù)方式下，其等效外特性為一負(fù)電阻r。故障前系統(tǒng)等值電路見圖1，其中X1為發(fā)電機(jī)電抗與出口變壓器電抗的和，X2為線路電抗與無窮大系統(tǒng)變壓器電抗的和。

圖2為故障前功角特性曲線，其中P1為風(fēng)機(jī)并入前功角特性曲線，P＇1為風(fēng)火打捆系統(tǒng)的功角特性曲線。

圖1 故障前系統(tǒng)等值電路

圖2 故障前功角特性曲線

系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)所注入的有功功率越多，系統(tǒng)的功率極限越低，其裕度便越小，對系統(tǒng)功角的穩(wěn)定性就越不利。

2．2．2 故障期間雙饋風(fēng)機(jī)對系統(tǒng)的影響

故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)機(jī)實現(xiàn)故障穿越時有功、無功控制策略，雙饋風(fēng)機(jī)可用一負(fù)電阻和一負(fù)電抗的并聯(lián)電路來表示，其系統(tǒng)等值電路見圖3。

圖3 故障期間系統(tǒng)等值電路

圖4為故障期間功角特性曲線，P2為火電機(jī)組功角特性曲線，為風(fēng)火打捆系統(tǒng)功角特性曲線。

故障前，同步發(fā)電機(jī)運行于a點，功角為δ0，故障發(fā)生時，同步發(fā)電機(jī)運行至b點，此時由于同步發(fā)電機(jī)機(jī)械功率PT大于電磁功率P2，轉(zhuǎn)子作加速運動，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動到δc時故障被清除。由上述推導(dǎo)可知，故障期間由于雙饋風(fēng)機(jī)的并入，功角特性曲線向右下移動，進(jìn)而使得加速面積增大，由 Sabcd增至Sab＇c＇d，增量為 Sbb＇c＇c，并且風(fēng)功率越大，對系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性越不利。

2．2．3 故障清除后雙饋風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)的影響

在故障清除后，雙饋風(fēng)機(jī)恢復(fù)恒功率因數(shù)控制策略，向系統(tǒng)提供有功功率，表示為一負(fù)電阻。此時切除一條輸電線路的線路阻抗為2X2，其等值電路圖見圖5。

圖5 故障清除后系統(tǒng)等值電路

故障清除后的功角特性曲線向右下移動。圖6為故障清除后功角特性曲線，P3為火電機(jī)組功角特性曲線，為風(fēng)火打捆系統(tǒng)功角特性曲線。

圖6 故障清除后功角特性曲線

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運行到δc時，故障線路被切除，由于同步發(fā)電機(jī)機(jī)械功率PT小于故障清除后的電磁功率P3，轉(zhuǎn)子開始做減速運動，最大減速面積為Sdefg，轉(zhuǎn)子運動對應(yīng)的功角為δm。由上述推導(dǎo)可知，風(fēng)火打捆系統(tǒng)的功角特性曲線是向右下移的，在圖6中對應(yīng)的最大減速面積為Sde＇fg＇，轉(zhuǎn)子運動對應(yīng)的功角為，從圖中可以看出＞δm，即最大搖擺角變大，對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不利，而且與所發(fā)有功功率所表示的負(fù)電阻正相關(guān)。

綜上所述，風(fēng)火打捆系統(tǒng)相對于火電系統(tǒng)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性變差。

圖4 故障期間功角特性曲線

3 仿真分析

3．1 仿真條件

為了驗證上述風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性理論，在Matlab/Simulink當(dāng)中構(gòu)建風(fēng)火打捆仿真系統(tǒng)(見圖7)，其中，G為火電機(jī)組，G1為火電機(jī)組或風(fēng)電場，火電機(jī)組和風(fēng)機(jī)打捆后經(jīng)輸電線路送至無窮大系統(tǒng)S。仿真時間20 s，在輸電線路中段發(fā)生三相短路故障，在10 s發(fā)生故障，0．2 s后故障被切除。

圖7 風(fēng)火打捆仿真系統(tǒng)接線示意圖

雙饋風(fēng)機(jī)運行在最大功率跟蹤模式下，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用定子電壓矢量定向控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率因數(shù)控制，具備良好的低電壓穿越能力，模型不考慮虛擬慣量控制。

圖7中，對G1以2種情況接入系統(tǒng)，分別進(jìn)行仿真分析:

a．情況1:火電機(jī)組G出力300 WM，火電機(jī)組G1為150 WM;

b．情況2:火電機(jī)組G出力300 WM，將G1替換為等容量的風(fēng)電場。

3．2 仿真結(jié)果分析

在發(fā)生同樣的故障下，對同步機(jī)組的狀態(tài)量變化進(jìn)行比較。圖8a、b、c分別給出了兩種情況的功角、有功功率和無功功率。圖中有功功率和無功功率為標(biāo)幺值。

通過圖8a兩條曲線對比，可以看出，當(dāng)G1為火電機(jī)組時，在故障發(fā)生后，功角發(fā)生振蕩，約2 s后功角逐漸趨于平緩。而G1為風(fēng)電場，同樣在故障發(fā)生后，功角振蕩劇烈，振幅較火電機(jī)組要大，經(jīng)過4 s后才趨于平緩。

圖8中b、c分別表示有功功率和無功功率曲線。對比可知，在G1為風(fēng)電場的情況下，故障后同步機(jī)G的有功功率、無功功率跌落較G1為火電機(jī)組時要大，振蕩程度也較劇烈，同時所需恢復(fù)時間更長。

圖8 仿真結(jié)果

通過上述分析比較，可以得出系統(tǒng)中雙饋風(fēng)機(jī)的并入，對打捆后的同步機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定性有一定的影響。

4 結(jié)語

本文以雙饋風(fēng)機(jī)為例，針對風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究討論，得出以下結(jié)論。

a．本文討論了雙饋風(fēng)機(jī)變流器通過采用定子電壓矢量控制實現(xiàn)有功和無功功率解耦的特性，以及兩種控制方式下，即恒功率因數(shù)和恒電壓控制方式下雙饋風(fēng)機(jī)的功率特性。

b．對雙饋風(fēng)機(jī)故障穿越控制特性和暫態(tài)輸出特性進(jìn)行研究分析，得出了故障前后雙饋風(fēng)機(jī)無功和有功功率注入的變化。通過對雙饋風(fēng)機(jī)仿真計算，驗證了機(jī)端電壓跌落的行為。

c．將風(fēng)火打捆系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)在故障前后，等效為負(fù)電阻、負(fù)電抗，并驗證其合理性，為風(fēng)火打捆系統(tǒng)的雙饋風(fēng)機(jī)與同步機(jī)組之間的交互影響的研究提供理論基礎(chǔ)。

d．基于雙饋風(fēng)機(jī)的等效外特性，結(jié)合單端送電系統(tǒng)對風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了雙饋風(fēng)機(jī)并入后系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定變差的結(jié)論，并通過仿真驗證了與理論分析的一致性。