不同風力機風速突變對其并網系統影響分析

羅 慶，晁 勤，袁鐵江，羅建春

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

目前，越來越多的國家已經把能源作為一個國家的重要戰略。其中，中國是世界風電機組裝機容量最大的國家之一，各地區風電場裝機容量日漸增大。風速的不可預測性和間斷性，導致其有功出力隨機變化，嚴重影響電網安全穩定。對于大規模風電場，當風速突變時，將對并網系統的安全穩定造成較大沖擊和影響，威脅其他掛網機組的正常運行，嚴重時使系統瓦解。

目前，風速突變時對接入電網相關影響的研究不多，文獻［1］中主要分析了在風速突變時風電場對電網電壓的影響;文獻［2］提出了采用小干擾穩定分析的風力發電機組的數學模型，并對風電場和電網之間相互影響進行分析;文獻［3］研究實際風電功率波動的時空分布特性及其內在趨勢性特征，評估風電波動對電網造成的影響。

單一風機類型在風速突變下對電網的影響的文獻較多，但對不同類型風機的對比分析的相關研究較少。針對3種接入電網的風機在風速突變時電壓和風能利用率進行了分析，得到了在風速突變情況下，直驅風電機組對電網影響最小，其風能利用率也是最高的。

1 風速模型與風能轉換模型

1.1 風速模型

風速一般分為基本風、陣風、漸變風和隨機風。這里采用陣風模型，如圖1 所示。

圖1 風電場陣風模型圖

陣風數學表達式如式(1)所示。

式中，VB為基本風風速;Vcos為陣風風速;tG為陣風啟動時間;tG1為陣風作用時間。式中，Vmax為陣風最大值。

1.2 風能轉換模型

風的動能與風速平方成正比。風力發電是基于風輪在流動的空氣中，獲得阻礙流動空氣流速的部分動能。風輪從風中吸收的功率可以用式(2)、式(3)表示。

式中，P 為風輪輸出功率;Cp為風輪的功率系數;A為風輪掃掠面積;ρ 為空氣密度;V 為風速;R 為風輪半徑。風輪可獲得的最大風效率，即貝茲極限下Cp=59%［4］。

在風速低于額定風速時，風力機獲得最佳功率與轉速的關系式如式(4)。

2 不同類型風力發電機結構模型

目前，國內已運行風電場大部分機組是異步風電發電機，其主要特點是結構簡單、運行可靠、價格便宜;雙饋式異步發電機應用的是交流勵磁變速恒頻雙饋風力發電技術;直驅式永磁風力發電機組屬于變漿寬帶調速同步風力發電機組，采用永磁同步發電機、無增速齒輪設計。3種風力機組接入電網拓撲結構分別如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖2 異步風力發電機組接入電網拓撲結構

圖3 雙饋式異步發電機接入電網拓撲結構

3 仿真系統模型與結果分析

3.1 仿真系統結構

基于上述3種風電機組模型分別搭建了同種機型等值風電場接入同一電網的仿真系統，其系統基本結構如圖5 所示。

圖4 直驅式永磁風力發電機接入電網拓撲結構

圖5 仿真動態系統模型

仿真過程中的風速采用陣風模型，其基本風為7 m/s，風速從2 s 開始經過2.5 s 突增到17 m/s，再經過2.5 s 從17 m/s 下降至7 m/s。異步、雙饋和直驅等值風電場容量均取10 MW，分別對3種風電場PCC 點的電壓、電流、有功和無功波動曲線進行仿真和分析。

3.2 電壓仿真結果分析

風速突變時，3種風電場接入電網的PCC 點母線電壓的波形，分別如圖6、圖7 和圖8 所示。

圖6 異步風電場PCC 母線電壓

圖7 雙饋風機風速擾動時段電壓

圖8 直驅風電場PCC 母線電壓

對圖6、圖7 和圖8 分析可知，風力發電機組將風能轉化為電能時有時間延遲。在相同突變風速作用下，3種風電場PCC 點母線電壓波動值如表1 所示。

表1 風速突變時段風機電壓波動值

由表1 可知，在風速擾動時，異步風電場PCC母線電壓跌落較明顯，最后跌至風力機低電壓保護動作值，將該等值風電場切除。雙饋和直驅風電場PCC 母線電壓波動較平穩，其中雙饋風電場PCC 母線電壓呈上升趨勢，電壓波動范圍為0.001UN;直驅風電場PCC 母線電壓呈下降趨勢，電壓波動范圍為0.0075UN。

3.3 電流波動分析

風速突變時，3種風電場接入電網的PCC 點母線電流的波形，分別如圖9、圖10 和圖11 所示。

圖9 異步風力發電機組電流波動

圖10 雙饋式異步風力發電機組電流圖

圖11 直驅同步風力發電機組電流圖

對圖9、圖10 和圖11 分析可知，等值異步風電場風能轉化為電能的時間延遲較短為1 s，基本與風速變化一致;等值雙饋和直驅風電場延遲時間較長均為4 s。電流隨著風速增大而增大，但當風速達到額定風速值時，電流均沒有達到額定值，其中直驅風電機組電流較大，對風能利用率相對較高。

3.4 有功功率波動分析

風速突變時，3種風電場接入電網的PCC 點母線有功功率的波形，分別如圖12、圖13 和圖14 所示。

圖12 異步風力發電機組有功功率圖

圖13 雙饋式異步風力發電機組有功功率圖

圖14 直驅風力發電機組有功功率圖

對圖12、圖13、圖14 分析可知，不同等值風電場對同一風速突變時，都有隨風速變化而變化的趨勢，直驅的風力機對風能利用率較高。異步風機隨風速增大而有功功率降低，最后在5.35 s 時刻，繼電保護動作將風電場解列。

3.5 無功功率波動分析

風速突變時，3種風電場接入電網的PCC 點母線無功功率圖形，分別如圖15、圖16 和圖17 所示。

圖15 異步風力發電機組無功功率

從圖15、圖16 和圖17 可以看出在風速突變時，異步風力發電機對電網發出無功功率。在風速突變時刻，對應雙饋式風機和直驅風機均有向電網吸無功的趨勢，且直驅風機較明顯。

圖16 雙饋式異步風力發電機組無功功率

圖17 直驅風力發電機組無功功率

從仿真結果圖形中，對比可知在引入同一突變風速，對同一接入電網時，電壓方面，雙饋式風力發電機組和直驅風電機組電壓波動較小，對電壓影響較小。電流方面，雙饋式異步風力發電機組和直驅風力發電機組電流均隨風速增大而增加，異步風電機組在保護動作前也是電流隨風速增大而增大。相較直驅風電機組對風能利用率較高。

針對的是等值風電場，風電場的容量相對較小，在實際中，風電場的容量將是數十倍、數百倍的容量。當在此類的風電場風速突變時，將形成的效果和影響會更大。

4 結論

(1)由文中的動態仿真結果，基于風電場風速年突變率和風電場對接入電網的影響及對自身的安全，在建設的風電場中，要考慮當風速年突變率較高時，基于電壓、電流、有功、無功波動和風能利用率考慮時，應選直驅式風力發電機型，其電壓在風速突變時較緩和，對此時的風能利用率較高。

(2)異步風電機組在風速突變(風速突增)時，電壓下降，當風速突變到某一值時，由于電壓低于風力機低電壓保護整定值，繼電器動作，切除該風電場，這將對電網安全造成很大的影響。例如2011年4月甘肅酒泉某風電場由于低電壓穿越能力不行，風電場解列，對西北電網造成巨大影響。風電場的異步風力發電機組應注重在風速突變時，風電機組的電壓跌落問題。

［1］范高峰，于德龍，任普春，等.變動風速作用下風電場對電網電壓的影響［J］.電網技術，2006，30(4):231－233.

［2］湯宏，吳俊玲，周雙喜.包含風電場電力系統的小干擾穩定分析建模和仿真［J］.電網技術，2004，28(1):38－41.

［3］崔楊，穆鋼，劉玉，等.風電功率波動的時空分布特性［J］.電網技術，2011(2):110－114.

［4］葉杭治.風力發電系統的設計、運行與維護(第一版)［M］.北京:電子工業出版社，2010:90－94，183－187.

［5］張志英，趙萍，李銀鳳，等.風能與風力發電技術(第二版)［M］.北京:化學工業出版社，2010:65－73，290－299.

［6］吳學光，張學成，印永華，等.異步風力發電系統動態穩定分析的數學模型及其應用［J］.電網技術，1998，22(6):68－72.