影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素分析

文_李楊楊 黑龍江龍?jiān)葱履茉窗l(fā)展有限公司

風(fēng)能是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛，并且利用比較充分的一種自然能源，最為常見(jiàn)的例子就是將風(fēng)能應(yīng)用在電能的產(chǎn)出上。但是，因?yàn)轱L(fēng)能的速度不能被準(zhǔn)確地測(cè)量，并且風(fēng)向具有極大的不穩(wěn)定性，因此很多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)不能發(fā)揮很好的利用效果，下面我們將對(duì)于主要的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成部分

傳統(tǒng)意義上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常包括4 個(gè)工作板塊，分別為風(fēng)速模型、風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)。

首先，風(fēng)速模型具有比較明顯的波動(dòng)以及隨機(jī)特點(diǎn)，這個(gè)模型的建立是4 個(gè)模塊中最為復(fù)雜的部分。在一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)于電網(wǎng)的影響風(fēng)速性能分析需要進(jìn)行部分的簡(jiǎn)化，因此我們常常將簡(jiǎn)化后的工程分為兩個(gè)不同的部分，分別為平均風(fēng)速和其他干擾因素。

其次，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)種類是比較繁瑣的，因此需要能夠快速找到感應(yīng)電機(jī)模型中同步的型號(hào)。為了能夠?qū)τ陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性因素進(jìn)行仔細(xì)研究，我們同樣需要能夠營(yíng)造了一個(gè)比較良好的研究環(huán)境，例如忽略飽和情況，定子繞組的動(dòng)態(tài)情況，定子槽影響電子轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。對(duì)于異象模型機(jī)的電網(wǎng)分析，工作中需要涉及一些比較復(fù)雜的方程組模型，例如搖擺方程、磁鏈和電壓方程等。

最后，對(duì)于控制系統(tǒng)模板而言，主要涉及了功率檢測(cè)以及速度控制兩個(gè)不同的工作板塊，需要能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成如下的工作任務(wù)：在規(guī)定的風(fēng)速條件下，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在額定風(fēng)速情況下，能夠最大程度上吸收能量；在高頻風(fēng)速下能夠保證風(fēng)機(jī)保持穩(wěn)定的輸出模式，避免出現(xiàn)放電機(jī)或者其他裝置出現(xiàn)過(guò)度負(fù)荷的情況。因?yàn)榭刂撇糠质秋L(fēng)電系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要保證，所以需要能夠靈活切換不同的工作模式，常見(jiàn)的控制模式有定漿距離控制、最大頻率跟蹤控制等。

2 傳統(tǒng)恒定風(fēng)速發(fā)電模型系統(tǒng)

我國(guó)大部分的電網(wǎng)工程都是利用異步的發(fā)電系統(tǒng)，這種發(fā)電方式在進(jìn)行并網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中不僅會(huì)消耗大量的無(wú)用功，同時(shí)還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的波動(dòng)影響。這種發(fā)電設(shè)備為了避免出現(xiàn)這樣的不良影響，通常在另外一端放置一個(gè)補(bǔ)償性的電容器，從而減少無(wú)用功的吸收。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的調(diào)查和研究可以發(fā)現(xiàn)，恒定頻率和速度的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能沒(méi)有任何影響，即使系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，這種發(fā)電模式也會(huì)被立刻從系統(tǒng)中去除，等到系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)作之后才能夠被再次應(yīng)用。因此，為了防止這樣的故障發(fā)生，需要在內(nèi)部時(shí)刻準(zhǔn)備一個(gè)大量的功率儲(chǔ)備，但是安裝大功率的設(shè)備對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性通常會(huì)造成不利的影響。因?yàn)楹愣L(fēng)速異步的發(fā)電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，方便管理以及維護(hù)，所以這種發(fā)電系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期存在。同時(shí)這種設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)造成任何的環(huán)境污染，因此在市場(chǎng)上還是具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的。

3 并網(wǎng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

3.1 軸系模型

并網(wǎng)雙饋系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)模型的主要作用，在于將系統(tǒng)中搜集的風(fēng)能利用適當(dāng)?shù)姆绞睫D(zhuǎn)化為電能。風(fēng)在吹動(dòng)風(fēng)扇頁(yè)面的過(guò)程中，葉片在低速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候能夠帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在經(jīng)過(guò)齒輪箱的過(guò)程中，能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行高速運(yùn)行，而高速的轉(zhuǎn)動(dòng)軸因?yàn)楹碗姍C(jī)部分進(jìn)行直接連接，因此可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。完成由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。

3.2 發(fā)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方式主要分為2 個(gè)部分，一是利用控制角漿距離的方式；二是利用機(jī)器中的電流大小控制風(fēng)力系統(tǒng)中的電動(dòng)勢(shì)能進(jìn)行控制。

一方面，如果實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)速大小和額定風(fēng)速類似，工作人員將利用第一種控制方式控制發(fā)電機(jī)組。但是，很多搜集的風(fēng)屬于自然風(fēng)，具有不穩(wěn)定性的明顯特點(diǎn)，風(fēng)勢(shì)的走向也不容易被把握，因此風(fēng)能還是不能被控制的。此時(shí)需要能夠根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)能的改變，調(diào)節(jié)葉片和風(fēng)速的角度，調(diào)整風(fēng)機(jī)去捕獲更多的風(fēng)能。在控制角度的過(guò)程中也會(huì)分為2 種不同情況的控制方式，第一種方法就是利用系統(tǒng)反饋的調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；第二種方法根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出功率進(jìn)行控制。

另一方面，如果運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)際風(fēng)速?zèng)]有達(dá)到預(yù)期的額定風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，則需要利用變流器控制發(fā)電的機(jī)組。而其中變流器主要分為2 個(gè)不同的組成部分，一是側(cè)變流的控制方式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用側(cè)身變流儀器轉(zhuǎn)換電流的方式，改變電動(dòng)的勢(shì)能大小，對(duì)于內(nèi)部的轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行改變，徹底改變功率大小對(duì)于電流穩(wěn)定性的影響。二是網(wǎng)測(cè)電流控制方式，這種變流器的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部的變流器和電網(wǎng)之間無(wú)差別功率的調(diào)節(jié)。如果需要調(diào)節(jié)功率，可通過(guò)改變電流大小的方式，保證直流線路的電壓穩(wěn)定性；對(duì)于沒(méi)有功率的部分而言，則能夠通過(guò)改變風(fēng)量的大小進(jìn)行控制。

4 風(fēng)電系統(tǒng)仿真

本文所討論的風(fēng)力系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定性，主要針對(duì)受到外部其他因素干擾后系統(tǒng)始終能夠處于一個(gè)比較穩(wěn)定的情況范圍內(nèi)，因此下面我們將會(huì)對(duì)于機(jī)組在不同情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

4.1 仿真模型

為了能夠檢測(cè)后期建立的漿距角模型的科學(xué)性，需要能夠?qū)τ诓⒕W(wǎng)系統(tǒng)建立一個(gè)相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用雙饋風(fēng)力發(fā)電，在運(yùn)行的時(shí)候并網(wǎng)輸出存在功率，消耗無(wú)功功率。該仿真系統(tǒng)由6 臺(tái)型號(hào)相同的放電機(jī)組合而成，每臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率都是相同，利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件matlab 進(jìn)行模型的搭建工作。

4.2 并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)仿真分析

為了能夠詳細(xì)分析并且了解并網(wǎng)系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性情況，研究人員分別從110kV 的電壓到25kV 的電壓進(jìn)行模擬故障分析。

（1）110kV 電壓降落分析

在110kV 的電壓情況下，15s 內(nèi)將電壓下降了0.2p.u.。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中漿距角度和內(nèi)部變流器兩個(gè)部分的協(xié)調(diào)控制，電壓的輸出還是能夠基本保持穩(wěn)定的，即使電壓在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，一段時(shí)間后能夠恢復(fù)到原本的數(shù)值。經(jīng)過(guò)50s之后，外部的實(shí)際風(fēng)速超過(guò)了額定風(fēng)速，系統(tǒng)利用自身的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行自我保護(hù)和清理，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力電場(chǎng)中的輸出功率瞬間消失，此時(shí)說(shuō)明了風(fēng)力電場(chǎng)已經(jīng)被移除。

（2）25kV 兩側(cè)接地故障處理分析

在仿真系統(tǒng)中如果15s 內(nèi)25kV 位置出現(xiàn)了故障的情況，并且兩端的位置是單相接地的情況，那么中間的電壓基本上能夠瞬間恢復(fù)。但是如果在變壓器T2 的25kV位置處出現(xiàn)了同樣的故障情況，兩端接地的電壓瞬間消失，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出口位置的電壓同樣也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)性的影響，下降了大約0.1p.u.。等到15s 之后，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的速度過(guò)小，輸出電壓過(guò)小導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟了保護(hù)措施，此時(shí)同樣輸出電場(chǎng)中的實(shí)際功率消失，并且被清除出去。

5 結(jié)語(yǔ)

為了能夠提高并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，本文通過(guò)雙饋型號(hào)的發(fā)電系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，對(duì)于影響穩(wěn)定性運(yùn)行的主要因素進(jìn)行了比較詳細(xì)和細(xì)致的分析。并且通過(guò)建立仿真數(shù)學(xué)模型的方式，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)中的附加控制條件對(duì)于發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有很大的影響。