PSAT應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

【摘要】：為了研究各風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性;在PSAT平臺(tái)上建立了風(fēng)速、變頻器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并利用三機(jī)九節(jié)點(diǎn)包含風(fēng)力機(jī)組的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，在三相短路故障情況下用時(shí)域仿真法對(duì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真;得出了不同機(jī)組類(lèi)型，不同擾動(dòng)類(lèi)型，以及不同持續(xù)時(shí)間下，各風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性不同的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、暫態(tài)穩(wěn)定性、低電壓穿越

一、引言

隨著化石能源等傳統(tǒng)能源的日益減少，風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源發(fā)電技術(shù)迅速崛起。然而，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電網(wǎng)總裝機(jī)容量的比重不斷提高，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重考驗(yàn)。不同類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響不同，為了深入地了解各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性以及不同風(fēng)機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響程度，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析是十分必要的。風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究這一課題已被很多科研工作者和電網(wǎng)工作人員青睞，他們也做出了一定的成果。但是對(duì)這一課題的研究大都是針對(duì)單一類(lèi)型風(fēng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，本文將雙饋發(fā)電系統(tǒng)、直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)、恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)對(duì)比進(jìn)行研究，得出了相關(guān)結(jié)論。另外本文所用的電力系統(tǒng)仿真軟件PSAT是近年興起的電力系統(tǒng)仿真軟件，具有小信號(hào)穩(wěn)定分析和時(shí)域仿真、潮流計(jì)算、連續(xù)潮流計(jì)算、最優(yōu)潮流求解等模塊，為用戶進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真提供了極大的便利。

二、?PSAT軟件簡(jiǎn)介

PSAT是一種新的電力系統(tǒng)分析軟件，其命令行版本也是GNU Octave兼容的[1，2，3]。它的核心是潮流計(jì)算，會(huì)對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行初始化處理。一旦求出了系統(tǒng)潮流，就能執(zhí)行后續(xù)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)分析。PSAT包含計(jì)算模塊有：小信號(hào)穩(wěn)定分析和時(shí)域仿真、潮流計(jì)算、連續(xù)潮流計(jì)算、最優(yōu)潮流求解等等。

PSAT 具有良好的適用于電力系統(tǒng)仿真的界面，在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，在 Data file 文本框輸入原始計(jì)算數(shù)據(jù)， 在Perturbation file 欄錄入動(dòng)態(tài)更細(xì)數(shù)據(jù)，在Command line寫(xiě)入命令以便執(zhí)行。計(jì)算邊界條件實(shí)時(shí)顯示在主界面右端，包括計(jì)算基準(zhǔn)容量、頻率、仿真開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間，收斂門(mén)檻等。實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果包括潮流計(jì)算結(jié)果、最優(yōu)潮流結(jié)果，收斂結(jié)果等顯示在主界面的右邊。

三、?算例

本論文在PSAT上建立了雙饋，直驅(qū)及恒速風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，采用WSCC的三機(jī)九節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行仿真，得出三相短路故障時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性結(jié)果。

在母線處，將短路故障的開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為1秒，故障持續(xù)時(shí)間分別為120ms、246ms和625ms。可得出如下仿真圖：

從上圖可以看出，在故障開(kāi)始后，恒速風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速急劇變化，但在故障清除后，轉(zhuǎn)速開(kāi)始回穩(wěn)，大約在4s時(shí)趨于穩(wěn)定，即恒速風(fēng)機(jī)本身是穩(wěn)定的。

當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間為246ms時(shí)，含雙饋風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)子電流越限，如下圖所示，因此機(jī)組本身不能保持穩(wěn)定;含直驅(qū)同步電機(jī)的電力系統(tǒng)的功角變化是同步的，轉(zhuǎn)子電流不越限，因此它們也都保持穩(wěn)定;含恒速機(jī)組的電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定，但功角比故障前的功角大。

當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間為625ms時(shí)，含雙饋風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)仍然能保持穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)速和功角都比原來(lái)大很多，已接近不穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流繼續(xù)越限，雙饋機(jī)組本身不能保持穩(wěn)定;含直驅(qū)風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，機(jī)組也不穩(wěn)定，仿真不能完全結(jié)束;含恒速風(fēng)機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)不穩(wěn)定，恒速機(jī)組本身也不穩(wěn)定，仿真結(jié)果不收斂。

通過(guò)以上分析，將三種發(fā)電系統(tǒng)以及機(jī)組本身的暫態(tài)穩(wěn)定性結(jié)果填入表1。

四、?結(jié)論

本文在PSAT上建立了幾種風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了暫態(tài)穩(wěn)定仿真，在比較的基礎(chǔ)上得出了如下結(jié)論：

1、故障持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)越容易失穩(wěn);在短路情況下，雙饋機(jī)組本身的穩(wěn)定性較難保持，但系統(tǒng)穩(wěn)定性保持較好。

2、同傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，含雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)受負(fù)荷影響較大，突然甩負(fù)荷使得雙饋風(fēng)電系統(tǒng)和機(jī)組本身很容易失穩(wěn)，即雙饋系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化非常敏感。相對(duì)來(lái)說(shuō)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)和恒速風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能較好保持，但機(jī)組本身也較容易失穩(wěn)。

3、由于換流器的解耦作用，雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響較小，受換流器電流大小較大的限制。因而變速風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性與換流器本身的特性有密切關(guān)系。

【參考文獻(xiàn)】

[1]?Power System Analysis Toolbox Documentation for PSAT version 2.0.0， Federico Milano.2010，5-80.

[2]?王金銘，高鍵.基于PSAT的電力系統(tǒng)時(shí)域仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（17）：4802-4807.

[3]?孫雷雷.PSAT在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009，20（10）：103-106.

個(gè)人簡(jiǎn)介：辛文成，1988-11，男，漢，湖北黃岡人，工學(xué)碩士，研究方向：電氣一次設(shè)計(jì)、新能源發(fā)電.