風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制方法

王欣鈺，劉 杰

(鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院，河南 新鄭 451191)

0 引言

近年來(lái)，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的有關(guān)政策措施不斷加強(qiáng)，以新能源為基礎(chǔ)的發(fā)電方式開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。隨著配電網(wǎng)中風(fēng)電并網(wǎng)比例的不斷提高，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求[2]。在此基礎(chǔ)上，為了保障電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，部分國(guó)家和地區(qū)相繼出臺(tái)了關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)的行為規(guī)范[3]。其中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)異常風(fēng)電電壓故障的有效防御，對(duì)電壓穿越能力進(jìn)行了明確要求[4]。對(duì)電壓穿越能力進(jìn)行細(xì)化分析，其可以分為低電壓穿越和高電壓穿越2種。在電壓發(fā)展初期，低壓是困擾配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的主要問(wèn)題，因此對(duì)其有關(guān)研究開(kāi)展較早，在長(zhǎng)期的研究過(guò)程中，大部分問(wèn)題已經(jīng)能夠得到有效解決。但是隨著近年來(lái)配電網(wǎng)環(huán)境的不斷發(fā)展，風(fēng)電高電壓?jiǎn)栴}表現(xiàn)得越來(lái)越突出。本文提出風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制方法，并通過(guò)試驗(yàn)分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法在實(shí)際情況中的應(yīng)用效果。

1 風(fēng)電配網(wǎng)高電壓穿越控制方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建定子磁鏈狀態(tài)模型

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓是以相對(duì)恒定的形式穩(wěn)定傳輸?shù)模藭r(shí)定子磁鏈動(dòng)態(tài)變化過(guò)程帶來(lái)的影響基本可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)配網(wǎng)的電壓出現(xiàn)明顯上升時(shí)，定子磁鏈自身的作用將會(huì)在一定程度上被放大，并且放大的程度與電壓的強(qiáng)度存在一定的正比關(guān)系。因此，本文在實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電配網(wǎng)高電壓穿越控制之前，首先以定子磁鏈的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)構(gòu)建了定子磁鏈狀態(tài)模型。

在具體的建模過(guò)程中，本文將定子磁鏈?zhǔn)噶孔鳛榛A(chǔ)參量，將其定向同步旋轉(zhuǎn)空間作為模型的空間范圍。此時(shí)的定子電壓在不同軸上的分量將會(huì)近似地存在以下關(guān)系：

(1)

式中：p(a)表示在定子磁鏈?zhǔn)噶繛閍條件下定子磁鏈的狀態(tài)參量，xa表示定子磁鏈?zhǔn)噶縜在x軸上是分布，ya表示定子磁鏈?zhǔn)噶縜在y軸上是分布，k表示功率對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶縳軸分量的解耦系數(shù)，b表示功率對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶縴軸分量的解耦系數(shù)，e表示正常運(yùn)行工況下，定子磁鏈的穩(wěn)態(tài)系數(shù)，U表示電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)輸出的電壓值。

通過(guò)式(1)可以看出，電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)輸出的電壓值出現(xiàn)大幅度的上升波動(dòng)時(shí)，定子磁鏈也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的瞬態(tài)變化。利用其變化的幅度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓上升幅度的計(jì)算，為后續(xù)的穿越控制參數(shù)設(shè)置提供基礎(chǔ)。

1.2 高電壓穿越控制

在上述基礎(chǔ)上，本文通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)配網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓穿越的控制。

首先可以根據(jù)本文“1.1”部分構(gòu)建的模型計(jì)算得到電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)電壓的上升幅值，其可以表示為：

(2)

式中：ΔU表示電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)電壓的上升幅值，U0表示額定運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)電壓參量。

本文結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)電壓的上升幅值控制變流器輸出交流電壓，確保配網(wǎng)輸出電壓的穩(wěn)定性。需要注意的是，在不同運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，變流器的運(yùn)行狀態(tài)是以相對(duì)動(dòng)態(tài)的形式存在的，這就意味著電網(wǎng)交互有功、無(wú)功功率的狀態(tài)也會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的差異。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，變流器的工作狀態(tài)主要包括在整流狀態(tài)，變流器從電網(wǎng)吸收有功和感性無(wú)功功率到吸收有功和容性無(wú)功功率；在逆變狀態(tài)，變流器向電網(wǎng)傳輸有功和容性無(wú)功功率到向電網(wǎng)傳輸有功和感性無(wú)功功率。

根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，在電網(wǎng)出現(xiàn)高電壓的階段，實(shí)現(xiàn)穿越控制的主要目標(biāo)是確保變流器吸收的感性無(wú)功功率能夠與電網(wǎng)系統(tǒng)配網(wǎng)側(cè)電壓的上升幅值產(chǎn)生的功率一致，因此變流器對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置結(jié)果可以表示為：

(3)

式中：V0表示配網(wǎng)直流側(cè)的電壓參數(shù)，V1表示對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)電壓相量參數(shù)，V2表示等效電感電壓相量參數(shù)，L表示電網(wǎng)側(cè)的等效電感值，V3表示變流器輸出電壓相量參數(shù)，I3表示變流器輸出電流相量參數(shù)。

通過(guò)這樣的設(shè)置，就可以確保變流器為電網(wǎng)提供感性無(wú)功電流支撐，保障電網(wǎng)在高電壓作用下恢復(fù)穩(wěn)態(tài)電壓。

2 測(cè)試與分析

在上述理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步分析本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制方法在實(shí)際配電網(wǎng)中的應(yīng)用效果，進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。不僅如此，為了提高測(cè)試結(jié)果的分析價(jià)值，將文獻(xiàn)[2]提出的以動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐情況為基礎(chǔ)的高電壓穿越控制方法，文獻(xiàn)[3]提出的以SWITSC為基礎(chǔ)的高電壓穿越控制方法以及文獻(xiàn)[4]提出的建立在變直流母線電壓參考值基礎(chǔ)上的高電壓穿越控制方法進(jìn)行分析比較，對(duì)本文設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用價(jià)值作出客觀評(píng)價(jià)。

2.1 測(cè)試環(huán)境

本次開(kāi)展測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)速為15.50 m/s，最小風(fēng)速為12.00 m/s。相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

按照表1所示的參數(shù)信息，本文高電壓現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)置如圖1所示。在測(cè)試階段，本文首先將配電網(wǎng)高電壓發(fā)生裝置與風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器進(jìn)行串聯(lián)，并且確保其處于配電網(wǎng)的高壓側(cè)和35 kV電網(wǎng)之間。電網(wǎng)高電壓發(fā)生裝置的主要作用是在并網(wǎng)點(diǎn)模擬電網(wǎng)高電壓情況的發(fā)生。在具體的實(shí)施階段，通過(guò)調(diào)整高電壓發(fā)生裝置限流阻抗與短路容抗參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同程度電網(wǎng)高電壓的模擬。

圖1 測(cè)試環(huán)境高電壓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置情況

2.2 測(cè)試結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，本文統(tǒng)計(jì)了在不同程度電網(wǎng)高電壓作用下，不同穿越控制方法的控制效果。考慮到在實(shí)際的電網(wǎng)環(huán)境中，高電壓帶來(lái)的最直接的影響是經(jīng)過(guò)配網(wǎng)母線的電壓出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)。因此，本文以母線電壓的波動(dòng)幅值為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了4種測(cè)試方法的結(jié)果，如表2所示。

表2 不同測(cè)試方法下配網(wǎng)母線電壓波動(dòng)幅值對(duì)比表

對(duì)比3種方法，文獻(xiàn)[2]方法的波動(dòng)性最高，其中，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓值為150 kV，對(duì)應(yīng)的母線電壓波動(dòng)幅值最大值和最小值分別為158.76 V和81.30 V。相比之下，文獻(xiàn)[3]方法下的母線電壓波動(dòng)幅值最大值雖然與文獻(xiàn)[2]方法相比有所降低，但是其最小值也處于較高水平，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓值為150 kV，達(dá)到了96.31 V。文獻(xiàn)[4]方法的測(cè)試結(jié)果中，整體表現(xiàn)出與文獻(xiàn)[3]方法相似的特點(diǎn)，但是母線電壓波動(dòng)幅值實(shí)現(xiàn)了下降，表明其高電壓穿越控制效果更加理想。觀察本文設(shè)計(jì)方法的控制效果，其中，母線電壓波動(dòng)幅值始終穩(wěn)定在23.0 V以?xún)?nèi)，最大值僅為22.41 V，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓值為110 kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的母線電壓波動(dòng)幅值最大值和最小值分別僅為14.56 V和8.70 V。測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)良好的高電壓穿越控制效果，在極大程度上保障配網(wǎng)在出現(xiàn)異常高電壓時(shí)能夠維持相對(duì)穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展使得在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的主要電壓?jiǎn)栴}類(lèi)型也逐漸發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由原始的低電壓穿越控制問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁唠妷捍┰娇刂茊?wèn)題。本文提出風(fēng)力發(fā)電高電壓穿越控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高電壓穿越的有效控制，在極大程度上保障了配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。借助本文的研究，希望可以為相關(guān)配電網(wǎng)安全管理工作的開(kāi)展提供幫助。