含變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)運(yùn)行特性仿真

陸秋瑜， 楊銀國， 于珍， 李力， 張東輝， 李海波

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心, 廣州 510000； 2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院， 成都 610000)

風(fēng)能作為一種清潔、可持續(xù)并且對生態(tài)友好的能源，其優(yōu)越的性能被越來越多的學(xué)者所認(rèn)識。近幾年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，單機(jī)容量也逐步增大，其安全性和可靠性越來越明顯。隨著風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，變速恒頻風(fēng)機(jī)組調(diào)速范圍大且成本低的優(yōu)勢體現(xiàn)出來[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和占比的提高，對于風(fēng)力發(fā)電的兼容性、安全性和對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性的影響規(guī)律的研究需要完善。

近年來，中外學(xué)者針對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電抗干擾能力薄弱的問題逐漸突顯出來[2]。目前，針對風(fēng)力發(fā)電存在較多的問題，電網(wǎng)母線電壓的波動對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的影響、并網(wǎng)過程中電網(wǎng)是否穩(wěn)定以及電能的質(zhì)量問題[3]?；诖?，李文津等[4]對風(fēng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子分別采用不同的控制策略，從而使風(fēng)機(jī)可以穩(wěn)定并網(wǎng)。錢敏慧等[5]提出了預(yù)報及校正變槳的控制策略，能夠調(diào)節(jié)不同風(fēng)速環(huán)境中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得合適的風(fēng)能捕獲。靳雯皓等[6]進(jìn)一步優(yōu)化控制策略，采取混合儲能系統(tǒng)的控制策略，從而提升系統(tǒng)儲能裝置的利用率。劉其輝等[7]考慮到空載和負(fù)載狀態(tài)下的并網(wǎng)策略，并分別采用定子磁鏈控制和轉(zhuǎn)子電流控制策略。宋文靜等[8]設(shè)計一種改進(jìn)的非線性函數(shù)，能有效提升系統(tǒng)在不同風(fēng)速條件下的抗擾能力。李嘯驄等[9]將風(fēng)電機(jī)組構(gòu)建非線性數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計了非線性控制器，提升功率調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[10]提出了一種配備調(diào)速差動機(jī)構(gòu)(speed regulating differential mechanism,SRDM)的混合動力傳輸系統(tǒng)，可以做到在不同風(fēng)速、諧振和負(fù)載突變等情況下保證頻率恒定。目前大多數(shù)研究者通過研究得出的一些結(jié)果都是在一些簡化模型的基礎(chǔ)上得到的，主要攻堅控制理論[11]。但控制策略研究需要建立在了解各參數(shù)對風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)的具體影響的基礎(chǔ)上，目前，針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)及外部故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的實(shí)際影響研究比較少，而且絕大部分只是停留在建模仿真階段。

為了研究風(fēng)速及故障在風(fēng)電并網(wǎng)時對電力系統(tǒng)的影響，現(xiàn)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)原理建立數(shù)學(xué)模型，通過使用Simulink模塊來搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件系統(tǒng)的仿真模型及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，然后將搭建的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型與電網(wǎng)模型進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行仿真，研究不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，以及不同故障下風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型

1.1 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

由于風(fēng)速是隨機(jī)不定的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能的多少會隨實(shí)時風(fēng)速的大小、方向的變化而變化，因此保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率恒定對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所并電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義[12]。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持頻率不變的方法分為：風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中勵磁電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速達(dá)到恒頻的目的；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并入電網(wǎng)過程中，連接整流裝置進(jìn)行整流，控制開關(guān)電路逆變輸出，經(jīng)濾波器濾波，得到輸出恒定且與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小無關(guān)的恒頻正弦波。后者較為方便簡潔，本文研究采取第二種方式進(jìn)行變速恒頻控制。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為如圖1所示幾個基本模塊。風(fēng)通過作用在風(fēng)力機(jī)葉片上，使風(fēng)輪隨風(fēng)速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速通過傳動系統(tǒng)部分的齒輪箱增速，將轉(zhuǎn)速提高至發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，使之帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并達(dá)到使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的。

圖1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure diagram of variable speed constant frequency wind turbine

1.2 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)建模

為簡化風(fēng)速模型，采用組合風(fēng)速模型，組合風(fēng)速模型是將基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)、隨機(jī)噪聲風(fēng)4種風(fēng)進(jìn)行疊加。組合風(fēng)速模型的數(shù)學(xué)模型為

V=VB+VZ+VJ+VS

(1)

式(1)中：VB為基本風(fēng)分量；VZ為陣風(fēng)分量；VJ為漸變風(fēng)分量；VS為噪聲風(fēng)分量。

由于本文的重點(diǎn)是風(fēng)輪葉片在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換過程，所以可以使用風(fēng)能利用系數(shù)建立風(fēng)輪的簡化空氣動力學(xué)模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換模型的功率和風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)矩大小的計算公式是根據(jù)流體力學(xué)中氣流的動能計算公式推導(dǎo)得到的[12]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出機(jī)械功率為

(2)

式(2)中：Pa為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率；A為風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積；Cp為風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速。

由于采用的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)不是直驅(qū)式的，而是風(fēng)輪經(jīng)轉(zhuǎn)軸連接低速轉(zhuǎn)軸、變速齒輪箱、高速轉(zhuǎn)軸再連接至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的傳動系統(tǒng)，所以傳動系統(tǒng)模型可以采用典型的三質(zhì)量塊模型，分別考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的質(zhì)量塊、變速齒輪箱的質(zhì)量塊和發(fā)電機(jī)的質(zhì)量塊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)的等效模型，如圖2所示。

Twtr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩；Jwtr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量；Ωwtr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的機(jī)械角速度；Kswtr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)輪等效扭轉(zhuǎn)硬度的彈簧系數(shù)；Tgen為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；Jgen為發(fā)電機(jī)模塊的轉(zhuǎn)動慣量；Ωgen為發(fā)電機(jī)模塊的機(jī)械角速度；Ksgen為發(fā)電機(jī)部分的等效扭轉(zhuǎn)硬度的彈簧系數(shù)；T1為進(jìn)入齒輪箱的轉(zhuǎn)矩；T2為從齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩，T2=(1/Kgear)T1；Kgear為齒輪 箱的變比系數(shù)；Ω2=KgearΩ1圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)三質(zhì)量塊模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-mass model of wind turbine drive system

一質(zhì)量塊模型的優(yōu)點(diǎn)在于通過簡化其方程數(shù)量，減少到只有一個系統(tǒng)方程，在系統(tǒng)仿真計算中將大幅度加快模型的仿真速度。采用一質(zhì)量塊模型，將風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)兩系統(tǒng)之間的相互作用等效到一端，從而簡化傳動系統(tǒng)建模及風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)模型。因此得到風(fēng)輪的運(yùn)動方程為

(3)

式(3)中：Jr為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量；Ω為風(fēng)輪葉片的轉(zhuǎn)動角速度；假定阻力全部集中在風(fēng)輪處，則TD為能量傳遞裝置中全部阻力矩；Twtr為風(fēng)輪從風(fēng)能吸收的動力矩；Tm為高速軸上的阻力矩；k為齒輪傳動比;t為時間。發(fā)電機(jī)的運(yùn)動方程為

(4)

式(4)中：Jg為發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量；Te為發(fā)電機(jī)上的反作用扭矩；Tm為高速軸上的轉(zhuǎn)動扭矩；ωg為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度。傳動系統(tǒng)的一質(zhì)量塊模型為

(5)

2 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

2.1 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)概述

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)時，為避免并網(wǎng)過程中產(chǎn)生過大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，要求輸出端的三相參數(shù)，其瞬時值要與并網(wǎng)處電網(wǎng)的參數(shù)對應(yīng)相等，即波形、幅值、相位、頻率、相序?qū)?yīng)相等。并網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)模型Fig.3 Grid-connected model of variable-speed constant-frequency wind turbine

line為輸電線路；ohms為輸出端；K表示將標(biāo)幺值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值；V為并網(wǎng)處電壓；I為并網(wǎng)處電流；P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率； Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出無功功率；均采用標(biāo)幺值，單位p.u.；Wind處設(shè)置風(fēng)速。圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型Fig.4 Wind turbine grid-connected model

利用MATLAB中的Simulink模塊搭建出各系統(tǒng)部件的仿真模型，并分別對搭建的仿真模型進(jìn)行運(yùn)行仿真。

風(fēng)速模型設(shè)置隨機(jī)風(fēng)速的采樣時間為0.05 s，陣風(fēng)在4 s時加入，持續(xù)10 s，陣風(fēng)的最大風(fēng)速設(shè)為6 m/s，設(shè)置額定風(fēng)速即平均風(fēng)速為11.7 m/s，階躍風(fēng)速的啟動時間為20 s，在25 s結(jié)束，階躍風(fēng)保持3 s，階躍風(fēng)的峰值為6 m/s，仿真時間為50 s。根據(jù)輸出的風(fēng)速波形可以看出，輸出的實(shí)時風(fēng)速會根據(jù)陣風(fēng)、階躍風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)的大小在平均風(fēng)速的基礎(chǔ)上波動。當(dāng)設(shè)置輸入的平均風(fēng)速在11.7 m/s時，將四風(fēng)速通過疊加后得到的風(fēng)速在15～20 m/s。

并網(wǎng)模型如圖4所示。設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片的半徑為40 m，大氣中空氣密度為1.25 kg/m3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，仿真時間為50 s。設(shè)置調(diào)制的頻率為50 Hz。將10個1.5 MW大小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組合成15 MW的風(fēng)力發(fā)電場，通過母線和變壓器連接到25 kV的電網(wǎng)，通過30 km的輸電線向120 kV電網(wǎng)輸出電力。

3 仿真實(shí)例與分析

根據(jù)圖4所示的仿真模型分別分析風(fēng)電機(jī)組在不同運(yùn)行狀態(tài)下的輸出狀態(tài)。

3.1 不同風(fēng)速條件下仿真結(jié)果分析

當(dāng)輸入風(fēng)速的平均風(fēng)速為5 m/s時，得到的并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 平均風(fēng)速為5 m/s時并網(wǎng)結(jié)果Fig.5 Grid connection results when the average wind speed is 5 m/s

圖6 平均風(fēng)速為11.7 m/s時并網(wǎng)結(jié)果Fig.6 Grid connection results when the average wind speed is 11.7 m/s

由圖5可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率最大值可達(dá)到16.47 MVar，有功功率最大值為27.14 MW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)處的電壓的最大值為1.431 p.u.，電流最大值為5.139 p.u.；由圖6可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率最大值可達(dá)到17.89 MVar，有功功率最大值為27.42 MW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)處的電壓參數(shù)的最大值為1.428 p.u.，電流最大值為5.242 p.u.；由圖8可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率最大值可達(dá)到15.69 MVar，有功功率最大值為26.23 MW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)處的電壓的最大值為1.412 p.u.，電流最大值為4.948 p.u.。

圖7 平均風(fēng)速為20 m/s時并網(wǎng)結(jié)果Fig.7 Grid connection results when the average wind speed is 20 m/s

圖8 平均風(fēng)速為25 m/s時并網(wǎng)結(jié)果Fig.8 Grid connection results when the average wind speed is 25 m/s

上述仿真數(shù)據(jù)可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速和額定風(fēng)速下運(yùn)行時并網(wǎng)處的電壓、電流數(shù)值相差不大，但在較高風(fēng)速、臨界風(fēng)速下運(yùn)行時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流都會明顯下降，并且因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速下運(yùn)行時并網(wǎng)點(diǎn)處的電流最大，證明在額定風(fēng)速時風(fēng)電機(jī)組對輸入風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率高。另外，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速和低風(fēng)速下運(yùn)行時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率、有功功率都比在額定風(fēng)速下輸出的少，并且當(dāng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s以上時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功、無功功率和達(dá)到臨界風(fēng)速時輸出的相差不大，又因?yàn)闊o功功率和有功功率分別對電網(wǎng)電壓幅值和電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定有重要作用，所以當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在達(dá)到額定風(fēng)速附近并網(wǎng)時，更有利于電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 不同故障下仿真結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的外部系統(tǒng)發(fā)生短路故障所產(chǎn)生的沖擊短路電流會給電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備帶來巨大的沖擊，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的簡單故障有：單相發(fā)生接地短路、兩相相間發(fā)生短路、三相短路和兩相發(fā)生接地短路故障。本文討論風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)外部發(fā)生簡單故障時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，因此模型中設(shè)置故障點(diǎn)在25 kV母線處，電網(wǎng)故障分析模型如圖9所示。

V為并網(wǎng)處電壓；I為并網(wǎng)處電流；P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率；Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出無功功率；均采用標(biāo)幺值； Wind處設(shè)置風(fēng)速；閃電位置為故障發(fā)生處圖9 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后電力系統(tǒng)故障分析模型Fig.9 Power system failure analysis model after wind power generation system is connected to the grid

假設(shè)在靠近25 kV母線處發(fā)生三相接地故障，故障在0.1 s開始持續(xù)0.2 s，電網(wǎng)模型得到的仿真輸出結(jié)果如圖10所示。

當(dāng)靠近25 kV母線處發(fā)生三相短路故障時，25 kV母線處的電壓從正常運(yùn)行時的1.031 p.u.降低為0 p.u.，母線電流從2.768 p.u.迅速提升到27.28 p.u.，產(chǎn)生了10倍左右的沖擊電流，巨大的沖擊電流將會對絕緣設(shè)備的壽命造成嚴(yán)重影響，電壓的消失將會給電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重的威脅。

圖10 發(fā)生三相短路故障后各參數(shù)波形Fig.10 Waveforms of various parameters after a three-phase short-circuit fault occurs

另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)母線處的電壓、電流趨于平緩，相比于不發(fā)生三相短路故障時的電壓、電流有明顯的下降。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率為27.42 MW，而故障發(fā)生后輸出的有功功率甚至減小到1.6 MW左右，輸出的無功功率也從正常運(yùn)行時的17.89 MVar減少到12 MVar左右，大幅度減少的P和Q，將會造成電網(wǎng)系統(tǒng)的功率缺額，給系統(tǒng)電壓、頻率帶來擾動，對供電端的輸出大幅減少，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，三相短路故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。

假設(shè)在靠近25 kV母線處發(fā)生A、B兩相相間短路故障，故障在0.1 s處開始持續(xù)時間0.2 s，電網(wǎng)模型得到的仿真輸出結(jié)果如圖11所示。

圖11 發(fā)生兩相短路故障后各參數(shù)波形Fig.11 Waveforms of various parameters after a two-phase short-circuit fault occurs

當(dāng)靠近25 kV母線處發(fā)生A、B兩相相間短路故障時，25 kV母線處A、B相的電壓從正常運(yùn)行時的1.031 p.u.降低為之前的一半左右，但A、B相電壓未完全消失，并且A、B相電流從之前的2.9 p.u.提高至23.74 p.u.，產(chǎn)生小于10倍的沖擊電流，而C相電壓、電流幾乎保持不變，因此A、B、C三相的電壓電流不再對稱相等，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

另外，從圖11中可以看出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率大約在10 MVar附近波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行時輸出的無功功率17.89 MVar，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率也從正常運(yùn)行時的27.42 MW減小到10 MW左右，需要額外地向電網(wǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)送有功功率和無功功率的缺額，影響系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)A、B兩相相間短路故障時，C相仍可以正常運(yùn)行，因此相比于三相短路故障對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，兩相相間短路故障對系統(tǒng)的影響較小。

假設(shè)在靠近25 kV母線處發(fā)生A、B兩相接地短路故障，故障在0.1 s處開始持續(xù)時間0.2 s，電網(wǎng)模型得到的仿真輸出結(jié)果如圖12所示。

圖12 發(fā)生兩相短路接地故障后各參數(shù)波形Fig.12 Waveforms of various parameters after a two-phase short-circuit to ground fault occurs

當(dāng)靠近25 kV母線處發(fā)生A、B兩相接地故障時，25 kV母線處A、B相電壓從1.212 p.u.減小至0，A、B相電流從正常運(yùn)行時的2.929 p.u.迅速增長為26.15 p.u.，產(chǎn)生小于10倍的沖擊電流，產(chǎn)生的沖擊電流將會對絕緣設(shè)備的壽命造成嚴(yán)重影響，但由于C相正常，因此C相可以繼續(xù)輸送電能，但電網(wǎng)系統(tǒng)失去了對稱性。

另外，從圖12中可以分析出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率在10 MVar附近波動，其輸出波形類似于兩相相間短路，同樣，其輸出的無功功率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其正常運(yùn)行時輸出的無功功率17.89 MVar，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率也從正常運(yùn)行時的27.42 MW減小到10 MW左右，所以需要額外的向電網(wǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)送有功功率和無功功率。通過對比分析兩相接地短路故障與兩相相間短路故障，由于兩相接地短路故障處母線的A、B相電壓完全消失，使A、B、C三相嚴(yán)重不對稱，因此兩相接地故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響更大，但由于兩相接地短路故障存在非故障相，因此其對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度小于三相短路故障對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，介于三相短路故障與兩相相間短路故障之間。

假設(shè)在靠近25 kV母線處發(fā)生A相接地短路故障，故障在0.1 s處開始持續(xù)時間0.2 s，電網(wǎng)模型得到的仿真輸出結(jié)果如圖13所示。

圖13 發(fā)生單相短路接地故障后各參數(shù)波形Fig.13 Waveforms of various parameters after a single-phase short-circuit to ground fault

當(dāng)靠近25 kV母線處發(fā)生A相單相接地短路故障時，25 kV母線處A相電壓從1.736 p.u.變?yōu)?，并且A相電流從2.545 p.u.變?yōu)?4.24 p.u.，產(chǎn)生7倍左右的沖擊電流，產(chǎn)生的沖擊電流將會對絕緣設(shè)備的壽命造成嚴(yán)重影響，由于僅僅A相發(fā)生接地故障，B、C相仍然可以正常運(yùn)行，所以造成電網(wǎng)系統(tǒng)的不對稱程度增強(qiáng)，會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來影響。

另外，從仿真結(jié)果圖13中可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率約為20 MVar，相比于正常運(yùn)行時輸出的17.89 MVar大幅提高，這將會造成電力系統(tǒng)中無功功率過剩，不及時處理會出現(xiàn)容升效應(yīng)，對電力系統(tǒng)的絕緣帶來威脅。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率幾乎不變(約為27.42 MW)，因此單相接地短路故障對電力系統(tǒng)頻率影響較小。

4 結(jié)論

通過搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個系統(tǒng)組件，其中包括：實(shí)時風(fēng)速仿真模型、風(fēng)輪仿真模型、傳動系統(tǒng)仿真模型、發(fā)電機(jī)仿真模型和頻率調(diào)制系統(tǒng)仿真模型，通過搭建模型和仿真，計算了不同風(fēng)速和不同故障下，功率、電壓和電流的變化情況。

(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的功率及并網(wǎng)處電壓電流在低風(fēng)速和額定風(fēng)速下運(yùn)行時相差不大，但在較高風(fēng)速下運(yùn)行時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的并網(wǎng)電壓和電流會下降。

(2)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外部電網(wǎng)線路中發(fā)生三相接地短路故障時，故障點(diǎn)處的母線電壓會從1.031 p.u.降低為0，并會產(chǎn)生10倍左右的沖擊電流，輸出的有功功率從正常運(yùn)行時的27.42 MW減小到1.6 MW左右。

(3)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響程度最大的是三相短路故障，其次是系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路故障，接著是兩相相間短路故障，其中故障后對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響程度最小的是發(fā)生單相接地短路故障。