基于DFIG自身無功能力提高風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性的研究

高瑤，陸浩，李權(quán)周

（1.河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454150；2.四川同濟(jì)京奧城市規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，四川 成都 610051）

1 引言

作為一個間歇性、多變化的電源，大型的風(fēng)電開發(fā)勢必會面臨如何順利接入電網(wǎng)的挑戰(zhàn)。隨著并網(wǎng)風(fēng)機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，大規(guī)模風(fēng)電出力變化將對電網(wǎng)造成很大沖擊，加之地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架不夠堅強(qiáng)、電源結(jié)構(gòu)較為單一，造成電網(wǎng)無功控制電壓調(diào)節(jié)難度加大，給電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來較多問題［1］。

風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性、不確定性等特點(diǎn)，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)將會對電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，其中電壓無功控制調(diào)節(jié)問題日益突出，系統(tǒng)對風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備的要求越來越高。

目前抑制電壓的波動與閃變主要是在風(fēng)電場出口處加裝無功補(bǔ)償裝置，最常用的方法是安裝靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）或靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。然而前者本身會產(chǎn)生低次的諧波電流，因此需要與濾波器并聯(lián)使用；后者每單位容量的價格高昂，提升了風(fēng)電場的投入成本，大型風(fēng)電場廣泛使用十分不經(jīng)濟(jì)。如何經(jīng)濟(jì)有效地適應(yīng)風(fēng)電出力的快速變化，并滿足系統(tǒng)無功電壓的控制需求，成為當(dāng)今風(fēng)電并網(wǎng)的一個重大課題。

目前我國的各大風(fēng)電場中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）得到了最為廣泛的應(yīng)用［2，3］，而有研究表明，多次脫網(wǎng)事故均與DFIG構(gòu)成的風(fēng)電場有關(guān)［4，5］，因此對DFIG進(jìn)行深入研究，探討其有效的電壓無功控制策略將顯得尤為重要。

本文主要針對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功、無功解耦控制的性能，建立了DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，仿真分析了利用風(fēng)機(jī)本身無功輸出能力改善風(fēng)電場暫態(tài)穩(wěn)定性，探討充分挖掘DFIG自身無功能力的可能性。

2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

雙饋異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)以及換流器三個部分。

圖1 雙饋異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)力機(jī)模型［6，7］

由空氣動力學(xué)知識，風(fēng)力機(jī)的輸入功率為:

其中:ρ—空氣密度；

SW—風(fēng)力機(jī)的葉片掃風(fēng)面積；

v—未擾動風(fēng)速。

為葉尖速比，即葉片尖端線速度與風(fēng)速的比值。其中w為風(fēng)力機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑。

為風(fēng)能利用系數(shù)，用來表征風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力。它與風(fēng)輪直徑、槳距角、葉片轉(zhuǎn)速、風(fēng)速等因素有關(guān)。CP是槳距角β與葉尖速比λ的綜合函數(shù):CP（β，λ）。一般在額定風(fēng)速以下，槳距角基本處于零度附近，此時風(fēng)能利用系數(shù)CP只是尖速比λ的函數(shù)。

則有風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率:

2.2 雙饋電機(jī)模型［8－10］

假設(shè)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱且不考慮零軸分量，可得到同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型。

電壓方程:

磁鏈方程:

其中Ls為dq坐標(biāo)系中定子等效兩相繞組的自感；Lr為dq坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；Lm為dq坐標(biāo)系中定子、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感。

轉(zhuǎn)矩方程:

其中Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，np為電機(jī)的極對數(shù)。

運(yùn)動方程:

其中TL為風(fēng)力機(jī)發(fā)出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；J為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量。

2.3 換流器模型

2.3.1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器數(shù)學(xué)模型［11－12］

同步速ω旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)PWM變換器數(shù)學(xué)模型為:

其中，ugd、ugq分別為網(wǎng)側(cè)電壓的d、q軸分量；igd、igq分別為輸入電流的d、q軸分量；vgd、vgq分別為換流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；sd、sq分別為開關(guān)函數(shù)的d、q軸分量。

2.3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器數(shù)學(xué)模型［2，13］

為了實現(xiàn)對雙饋電機(jī)的有功功率、無功功率的有效控制，需采用矢量控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換將轉(zhuǎn)子電流有功分量、無功分量進(jìn)行解耦，并對兩個分量分別控制，在變速恒頻條件下實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，得到當(dāng)前風(fēng)速條件下最大功率輸出；實現(xiàn)無功功率的有效控制，保證電網(wǎng)穩(wěn)定。同步速ω旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器數(shù)學(xué)模型為:

其中，Us、Ur分別為電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電壓矢量；Is、Ir分別為電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電流矢量；Ψs、Ψr分別為電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚籌ms為定子的等效勵磁電流矢量；σ為發(fā)電機(jī)的漏磁系數(shù)。

3 暫態(tài)電壓控制模型

通過DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制，在電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓波動時發(fā)出無功功率參與暫態(tài)電壓控制，抑制參考點(diǎn)電壓波動，并能在故障后恢復(fù)正常值。本文將DFIG機(jī)端電壓作為參考點(diǎn)，暫態(tài)電壓控制框圖如圖2所示。

圖2 暫態(tài)電壓控制框圖

4 仿真算例

4.1 仿真模型

本文采用的算例為由多個風(fēng)機(jī)等值的一臺風(fēng)機(jī)通過變壓器和線路連接到系統(tǒng)母線。接線如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)連接圖

本文采用的算例為由多個風(fēng)機(jī)等值的一臺風(fēng)機(jī)通過變壓器和線路連接到系統(tǒng)母線。接線如圖3所示。

風(fēng)力機(jī)采用“1+1”等值模型［15］，由 6 臺 2.2MW雙饋異步風(fēng)電機(jī)組等值成為一臺13.2MW風(fēng)電機(jī)。等值后風(fēng)機(jī)的參數(shù)如圖4所示。

出口電壓為690V，經(jīng)升壓變壓器升至10kV，通過輸電線路連接到大系統(tǒng)。仿真中風(fēng)速保持額定風(fēng)速10m/s。

4.2 仿真算例

仿真一:風(fēng)電場側(cè)10kV線路在t=1s時發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時間為0.08s，10kV母線B2電壓Vabc、風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓Vt、換流器電容電壓Vdc如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 故障后10kV母線B2電壓Vabc（V）

圖5 故障后風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓Vt（V）

圖6 故障后換流器電容電壓Vdc（V）

仿真二:風(fēng)電場側(cè)10kV線路在t=1s時發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時間為0.08s，控制風(fēng)機(jī)對應(yīng)故障持續(xù)發(fā)出無功約1MW，10kV母線B2電壓Vabc、風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓Vt、換流器電容電壓Vdc如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 風(fēng)機(jī)無功支持后10kV母線B2電壓Vabc（V）

圖8 風(fēng)機(jī)無功支持后風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓Vt（V）

圖9 風(fēng)機(jī)無功支持后換流器電容電壓Vdc（V）

4.3 仿真分析

（1）由圖4、圖7對比得知，故障后10kV母線B2電壓Vabc有波動，在故障切除以后恢復(fù)正常，說明風(fēng)機(jī)在經(jīng)受單相接地故障后可以維持穩(wěn)定運(yùn)行不至失穩(wěn)。

（2）由圖5、圖8對比，圖6與圖9對比可以看出，故障時風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓出現(xiàn)震蕩，在風(fēng)機(jī)加入無功支持以后，電壓震蕩幅度有所減小，機(jī)端電壓震蕩得到抑制；故障時換流器直流側(cè)電壓Vdc出現(xiàn)震蕩，在風(fēng)機(jī)加入無功支持以后，電壓震蕩幅度有所減小，機(jī)端電壓震蕩得到抑制。說明了風(fēng)機(jī)自身的無功能力可以改善風(fēng)機(jī)自身的電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論與思考

本文針對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功、無功解耦控制的性能，建立了基于DFIG的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，仿真分析了風(fēng)機(jī)接入系統(tǒng)后線路單相故障。仿真結(jié)果表明，DFIG自身具備無功補(bǔ)償能力，具備改善風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性的能力，在系統(tǒng)故障后可以提供無功支撐，因此充分挖掘風(fēng)機(jī)的無功潛在能力將可以提高風(fēng)電場的低電壓穿越能力。

本文在模型建立、算例仿真過程中還存在許多不足，由于實現(xiàn)了有功功率、無功功率的解耦運(yùn)行，雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)擁有較大的無功支持能力，但風(fēng)機(jī)無功能力得以有效利用仍需要做許多更深一步的研究，對風(fēng)電場無功極限能力、無功靈敏度、無功補(bǔ)償控制策略等方面的深入研究都是必不可少的。

［1］李俊峰，施鵬飛，高虎.中國風(fēng)電發(fā)展報告2010［R］.中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會，2010.10.

［2］郝正航，余貽鑫.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（3）:7－12.

［3］王忱，石立寶，姚良忠，等.大規(guī)模雙饋型風(fēng)電場的小擾動穩(wěn)定分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（4）:63 －70.

［4］崔楊，嚴(yán)干貴，孟磊，等.雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組異常脫網(wǎng)及其無功需求分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（1）:158 －163.

［5］穆鋼，王健，嚴(yán)干貴，等.雙饋型風(fēng)電機(jī)群近滿載工況下連鎖脫網(wǎng)事件分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2011，35（22）:35 －40.

［6］劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003（20）.

［7］申紅.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行模型研究及其應(yīng)用［D］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2003.

［8］許善椿，黃曦東.交流勵磁發(fā)電機(jī)的原理、能量關(guān)系和應(yīng)用［J］.哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報，1995（1）.

［9］湯慍憀，史奶，等.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工程出版社，2001.

［10］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工程出版社，1992.

［11］趙仁德.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵磁電源研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［12］賀益康，許大中.電機(jī)控制［M］.3版.杭州:浙江大學(xué)出版社，2010.

［13］遲永寧，王偉勝，戴慧珠.改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（25）.

［14］黃梅，萬航羽.在動態(tài)仿真中風(fēng)電場模型的簡化［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（9）.