提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能機(jī)組協(xié)調(diào)控制

劉元 許震歡

【摘 ?要】風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的滲透率逐年增加，提出了對(duì)低電壓穿越的要求。然而，風(fēng)力機(jī)常用的各種低電壓穿越方案往往會(huì)改變風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性帶來(lái)雙重影響。本文將風(fēng)力機(jī)的輸出功率與系統(tǒng)的等效機(jī)械功率相結(jié)合，推導(dǎo)出兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分析了低電壓穿越對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機(jī)理，同時(shí)提出了一種超導(dǎo)磁儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制方案，以提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)子撬棒實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的同時(shí)，根據(jù)等效系統(tǒng)機(jī)械功率的影響規(guī)律，調(diào)整超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的補(bǔ)償策略，以達(dá)到更高的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能。最后，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了該控制方案的有效性。

【關(guān)鍵詞】低電壓穿越;超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

1 引言

風(fēng)能以其環(huán)保無(wú)污染的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中占有較大的比重。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，對(duì)低壓穿越提出了要求。近年來(lái)，針對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)提出了幾種低電壓穿越方法，其中應(yīng)用最廣泛的是添加撬棒保護(hù)電路。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在低電壓穿越過(guò)程中還會(huì)影響同步電機(jī)的電磁功率和電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，因此研究撬棒電路對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，國(guó)外在暫態(tài)功角穩(wěn)定方面已有一些研究成果。然而，大多數(shù)研究分析的是風(fēng)電場(chǎng)本身或風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，而沒(méi)有分析低電壓穿越對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。本文通過(guò)理論推導(dǎo)的方法，借助擴(kuò)展的等面積準(zhǔn)則分析了風(fēng)力機(jī)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。然而，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率處理方式與同步機(jī)相似，并不適用于風(fēng)力機(jī)。而關(guān)鍵問(wèn)題是，大多數(shù)研究都缺乏一個(gè)合理的解決方案來(lái)提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文考慮到超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置對(duì)電力系統(tǒng)的快速功率響應(yīng)，利用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置四象限發(fā)電靈活增強(qiáng)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性，提出了一種協(xié)調(diào)控制方案，以改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)合轉(zhuǎn)子撬棒和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)與超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的合作，風(fēng)力機(jī)在完成低電壓穿越的同時(shí)，可以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2 雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)接入位置對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

3 利用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)子撬棒相結(jié)合的協(xié)調(diào)方案

3.1 協(xié)調(diào)方案控制機(jī)制

提出了一種考慮超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)電源的聯(lián)合轉(zhuǎn)子撬棒和儲(chǔ)能設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略，在故障期間和恢復(fù)過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)可以調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率，使之成為一種新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。根據(jù)需要配置電源，滿足了低電壓穿越的要求，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

從（4）開(kāi)始， 的正負(fù)號(hào)使得相同的輸出功率對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性有不同的影響。當(dāng) 為正，等效系統(tǒng)的機(jī)械功率隨電磁功率的減小而減小;當(dāng) 為負(fù)，等效系統(tǒng)的機(jī)械功率隨電磁功率的減小而增大。同時(shí)，機(jī)械功率的變化意味著系統(tǒng)加速和減速區(qū)域的不同，直接影響系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3.2 協(xié)調(diào)方案控制流程

1）在功角上升時(shí)，

當(dāng) 大于0，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能被控制吸收功率;

當(dāng) 小于0，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能被控制發(fā)出功率;

這減小了等效系統(tǒng)的機(jī)械功率，增大了加速面積，減小了減速面積。

2）在功角下降時(shí)，

當(dāng) 大于0，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能被控制發(fā)出功率;

當(dāng) 小于0，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能被控制吸收功率。

這提高了等效系統(tǒng)的機(jī)械功率，增大了加速面積，減小了減速面積。

4 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink平臺(tái)上對(duì)擴(kuò)展雙機(jī)進(jìn)行了研究。如圖1所示，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置可以根據(jù)我們的需要調(diào)整輸出功率。從圖2可以看出，采用協(xié)調(diào)控制方案的系統(tǒng)中，同步電機(jī)之間的功率角差幅值較僅采用轉(zhuǎn)子撬棒的系統(tǒng)明顯減小了 以上，尤其是在故障恢復(fù)過(guò)程中。

5 結(jié)論

在轉(zhuǎn)子撬棒實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的同時(shí)，利用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能控制器對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行有目的的控制，在一定程度上提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)上海市電力公司培訓(xùn)中心）