風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性分析與研究

曾新紅 王德琴 林貴鋒

到世界各國的青睞。但隨著大規(guī)模的風(fēng)電場并入電網(wǎng)，風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性也給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了沖擊，因此，研究風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性對風(fēng)電并網(wǎng)的安全運行有著非常重要的意義。本文以雙饋異步發(fā)電機(jī)為例，通過MATLAB仿真，研究虛擬慣量控制、阻尼控制對電壓頻率穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng)；穩(wěn)定性；虛擬慣性；阻尼控制

中圖分類號：TM614??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Wind?energy，as?a?pollutionfree?clean?energy，has?been?favored?by?countries?around?the?world?in?recent?years.However，with?the?integration?of?largescale?wind?farms?into?the?power?grid，the?randomness?and?intermittency?of?wind?energy?also?bring?impact?to?the?stability?of?the?power?grid.Therefore，studying?the?voltage?stability?of?wind?power?gridconnection?has?a?very?important?significance?for?the?safe?operation?of?wind?power?gridconnection.In?this?paper，the?influence?of?virtual?inertia?control?and?damping?control?on?voltage?frequency?stability?is?studied?by?MATLAB?simulation.

Keywords：wind?power?integration；stability；virtual?inertia；damping?control

風(fēng)能作為一種無污染可再生能源，風(fēng)能的開發(fā)引起了世界各國的重視。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2022年11月底，中國累計風(fēng)電發(fā)電裝機(jī)容量約35096萬千瓦，風(fēng)能占比逐年提升。對于含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)而言，由于風(fēng)速的不穩(wěn)定，導(dǎo)致風(fēng)電場的出力波動及其本身的無功特性是引起電網(wǎng)電壓波動的主要影響因素之一［4］。風(fēng)能會給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性帶來很大影響，因此對風(fēng)電場并網(wǎng)的電壓的穩(wěn)定性分析有其重要意義。文獻(xiàn)［1］提出將統(tǒng)一相間功率控制器（unified?interphase?power?controller，UIPC）和靜止同步補(bǔ)償器（static?synchronous?compensator，STATCOM）聯(lián)合應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，以改善電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，通過這種方法能較好地改善電力系統(tǒng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［2］通過對異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（asynchronous?wind?turbine，AWT）和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（doublyfed?induction?generator，DFIG）接入電網(wǎng)的不同比例進(jìn)行分析，說明不同機(jī)組接入電網(wǎng)對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性影響很大，使用雙饋風(fēng)力機(jī)組可以提高電網(wǎng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［3］通過采用新型風(fēng)力機(jī)組（前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組），采用分叉方法對系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出風(fēng)速對系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運行區(qū)域的影響，從而達(dá)到更好地控制風(fēng)電機(jī)組的目的。本文以雙饋異步發(fā)電機(jī)為例，通過MATLAB仿真，研究虛擬慣量控制、阻尼控制對電壓頻率穩(wěn)定性的影響，對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性提供一定的參考依據(jù)。

一、基于虛擬慣性的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與控制

變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)由于其調(diào)速容易、控制方法靈活、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，成為當(dāng)今的主流機(jī)型。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，發(fā)電廠的同步發(fā)電機(jī)為電網(wǎng)提供了大量的機(jī)械慣量以及足夠的備用容量，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過變頻器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，使得其缺乏機(jī)械慣量，未能像同步發(fā)電機(jī)一樣響應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率變化。因此，大量風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)將會使電力系統(tǒng)機(jī)械慣量減少，降低電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。為了改善機(jī)械慣量減少導(dǎo)致電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性降低，虛擬慣量的概念被提出，虛擬慣量的提出為風(fēng)電并網(wǎng)的頻率響應(yīng)提供了一種實現(xiàn)方案，其控制策略能有效緩解頻率的不穩(wěn)定性。通過結(jié)合逆變器與虛擬慣量控制算法，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率突變時，通過快速的功率控制向系統(tǒng)瞬時注入或吸收突變的有功，然后通過控制轉(zhuǎn)速變化釋放或吸收風(fēng)力機(jī)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動能［9］，可以達(dá)到類似同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)壓的作用。DFIG的定子和轉(zhuǎn)子電壓方程在同步旋轉(zhuǎn)DQ坐標(biāo)系下，可用公式表示［7］：

vsd=Rsisd+ψsd·-ωsψsq，vsq=Rsisq+ψsq·+ωsψsd（1）

vrd=Rrird+ψrd·-ωslψrq，vrq=Rrirq+ψrq·+ωslψrd（2）

式中：vsd、vsq、vrd、vrq分別為定子、轉(zhuǎn)子d、q軸電壓分量；isd、isq、ird、irq分別為定子d、q軸電流分量；Rs和Rr分別為定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定子、轉(zhuǎn)子的d、q軸磁鏈分量；ωsl為滑差角速度，ωsl=ωs-ωr。ωs、ωr分別為同步速和轉(zhuǎn)子速度。磁鏈方程為［7］：

ψsd=Lsisd+Lmird，ψsq=Lsisq+Lmirq（3）

ψrd=Lmisd+Lrird，ψrq=Lmisq+Lrirq（4）

式中：Ls=Lσs+Lm；Lr=Lσr+Lm；Ls、Lr分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組自感，Lσs、Lσr分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組漏感，Lm是互感。

當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運動方程可表示為［9］：

Pwind-Pem=Jwωrdωrp2wdt（5）

其中Pwind、Pem、Jw、pw分別為變速風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率、電磁功率、固有慣量和磁極對數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)動能Ekwind可表示為：

Ekwind=∫（Pwind-Pem）dt=∫Jwωrdωrωedωe×ωedωep2wdtdt

=∫Jrωep2wdωe=12Jr（ωepw）2（6）

其中：Jr=Jwωrdωrωedωe為虛擬慣量;ωe為同步發(fā)電機(jī)的電角速度。

雙饋風(fēng)電機(jī)組的軸系上傳輸功率的變化可以表示為：

ΔPem=-Jrωrdωep2wdt（7）

因此，可以通過對其輸出功率的控制，實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)頻率的虛擬慣性控制需求［6］。通過有功附加控制，換流器可提供短時的功率支撐，保障電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。如圖1所示，將電網(wǎng)頻率或其發(fā)電機(jī)的角速度作為輸入信號，經(jīng)過測量和微分運算控制環(huán)節(jié)，將附加控制信號Pr*疊加在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制之上，在電網(wǎng)遭受干擾時，機(jī)組能快速調(diào)節(jié)有功輸出，模擬變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣性響應(yīng)［5］。該附加慣性控制的輸出信號Pr可表示為［9］：

Pr=-fKdfdt（8）

其中：K為微分控制的比例系數(shù)；f為電網(wǎng)頻率。

二、阻尼控制

阻尼控制是通過在雙饋發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)中增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）來實現(xiàn)。勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（WPGS）的阻尼控制器原理圖如圖2所示，采用經(jīng)典的雙環(huán)向量控制方案［7］來控制WPGS的RSC。對于RSC的內(nèi)部電流控制回路，采用PI調(diào)節(jié)器加補(bǔ)償項來控制轉(zhuǎn)子電流ird，irq并產(chǎn)生控制信號vrd，vrq。對于RSC外部控制回路，采用有功功率Ps和無功功率Qs。

輸出轉(zhuǎn)子電流參考值i*rd，i*rq，WPGS的定子有功功率和無功功率由下式獲得

Ps=-1.5（vsdisd+vsqisq）（9）

Qs=-1.5（vsqisd+vsdisq）（10）

針對RSC的有功和無功功率控制回路增加阻尼控制器。該阻尼控制器由濾波器、相位補(bǔ)償、增益和飽和度［8］組成，表達(dá)式如下：

ui（s）=Ki11+sTisTwi1+sTwiyc（s）（11）

此處u1=ΔPs是有功功率阻尼控制輸出，u2=ΔQs是無功功率阻尼控制輸出，ki是增益系數(shù)，Ti是相位補(bǔ)償?shù)臅r間常數(shù)，Twi是濾波器的時間常數(shù)。ΔPsmax和ΔPsmin分別為ΔP的最大值和最小值，ΔQsmax和ΔQsmin分別為ΔQ的最大值和最小值，s是拉普拉斯算子。ω1c為阻尼控制器的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)子電流ird和irq作為反饋信號并用于計算補(bǔ)償項ΔRD、ΔRQ參考文獻(xiàn)［10］。

Δrd=ωslσrLrirq-ωslLmvsdω-1sL-1s（12）

Δrq=-ωslσrLrird-ωslLmvsqω-1sL-1s（13）

式中：σr=1-L2mLsLr。

三、仿真分析

在Matlab/Simulink境下分別建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的虛擬慣量控制與阻尼控制的仿真模型，系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：額定功率Pn1=1.5MW，額定電壓Vn1=575V，額定頻率為fn1=60Hz，額定風(fēng)速vt=11m/s.定子電阻Rs=0.023p.u.，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.016p.u.，定子漏電感Lls=0.18p.u.，轉(zhuǎn)子漏電感Llr=0.16p.u.，互感Lm=2.9p.u.。有功和無功功率阻尼控制中參數(shù)設(shè)K1=K2=200，T1=T2=0.02，Tw1=Tw2=2，ΔPsmin=ΔQsmin=-0.3，ΔPsmax=ΔQsmax=0.3。

分別在3秒處將11m/s風(fēng)速降至9m/s風(fēng)速，在6秒處增加相同負(fù)載和在10秒處減少相同負(fù)載。風(fēng)速改變時，仿真結(jié)果如圖4所示。

無慣性支持控制和采用虛擬慣量控制，變速風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力均受到風(fēng)速的隨機(jī)波動特性的影響，無慣性支持控制頻率受影響較大。采用阻尼控制，風(fēng)速的變化對其影響很小，頻率穩(wěn)定性很好，有功無功阻尼協(xié)調(diào)控制比僅有功阻尼控制頻率穩(wěn)定性更好。

負(fù)載改變時，增加相同負(fù)載時，仿真結(jié)果如圖5所示；減少相同負(fù)載時，仿真結(jié)果圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，采用虛擬慣性控制在負(fù)載突增和突減時，對頻率有一定的支撐作用，虛擬慣量控制的頻率跌落與躍升幅度最小，但也受到微分比例系數(shù)的影響，在系統(tǒng)頻率恢復(fù)過程中出現(xiàn)功率的波動，從而造成頻率的二次擾動。采用阻尼控制風(fēng)速的變化對頻率的穩(wěn)定性較好，但當(dāng)負(fù)載突變時，頻率的波動較大。有功無功協(xié)調(diào)阻尼控制比僅有功阻尼控制的效果好。

結(jié)語

雙饋發(fā)電機(jī)組上述控制方式中，虛擬慣性控制能有效減小負(fù)載突變后電壓頻率的變化幅度，對頻率有一定的支撐作用，阻尼控制能有效抑制風(fēng)速變化對電網(wǎng)頻率的擾動。因此，雙饋發(fā)電機(jī)組如結(jié)合虛擬慣性控制與阻尼控制，會對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性有較好的作用效果。

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基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：C2206001240；C2301002787

作者簡介：曾新紅（1976—?），女，漢族，廣東興寧人，碩士研究生，副教授，主要從事控制電機(jī)及其應(yīng)用、電機(jī)學(xué)、電氣控制與PLC、風(fēng)電場等的教學(xué)與研究工作，研究方向：電氣工程及其自動化。