DFIG型風電機組多點接入地區電網暫態穩定分析

詹孝和，徐永衛，朱梅

(1.江蘇華電揚州發電有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州供電公司，江蘇 揚州 225009)

DFIG型風電機組多點接入地區電網暫態穩定分析

詹孝和1，徐永衛2，朱梅2

(1.江蘇華電揚州發電有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州供電公司，江蘇 揚州 225009)

大型風電場集中并入電網，改變了原有電網的潮流分布﹑電壓水平和系統慣量，給電網穩定性造成較大影響。本文建立了雙饋直驅風力發電機的通用模型，選用牛頓—拉夫遜法(功率式)計算電力系統潮流，在接入同步水電機組和雙饋風電機組﹑單點和多點接入﹑不同接入點﹑不同接入容量等情況下，分析系統潮流和暫態穩定性能，以各種情況下的故障臨界清除時間，對比分析含風電場的電網的暫態穩定性。

雙饋直驅風力發電機；并網；潮流分析；暫態穩定

0 引言

20世紀90年代，世界各國為了應對全球性的能源危機和溫室效應，加強了對可再生能源的開發利用，這給風能等清潔能源帶來了發展的契機。風電作為新能源發電的主角之一，已成為驅動新能源發電發展的不二選擇，也是目前國內外新能源發電的研究重點[1]。因此，在風電建設與接入電網之前，進行必要的包含風電的電力系統分析計算，研究風電接入后系統運行的穩定性變化情況，無論是對于業主還是電網部門而言，都是非常必要的。一方面有助于發現風電并網后電力系統中可能出現的問題，明確風電接入對于系統穩定性的影響；另一方面，通過必要的改善措施增強風電并網后電網的安全性與穩定性，最大限度地保證風電的并網發電，保障業主投資的回收與利益。

隨著風電機組技術的進步及風電在電網中所占比例的迅速提高，目前多個國家的風電并網導則都對風電場提出了更高的要求：在規定的故障及電網電壓跌落期間，保證一定時間范圍內風電場能夠連續運行而不脫離電網，要求風電場在電網故障發生后發出無功功率參與電網的電壓控制[2]。例如從2003年開始，德國E.on電網公司除了要求故障后電網電壓恢復期間風電場必須保持并網運行外，還要求風電機組動態發出無功功率以支持電網電壓，防止風電機組由于電壓過低導致的跳閘。風電場的這種故障期間保持并網不間斷運行的能力通常稱為風電場的“低電壓穿越能力”。

本文重點研究雙饋感應電機的結構﹑模型﹑基本工作原理和優點等，研究分析風電系統的并網模型，采用實際地區電網的數據，在不同的情況對大規模風電集中接入后的電網暫態穩定性進行分析，并給出相應的結論和建議。

1 雙饋感應發電機的數學模型

雙饋型發電機(Doubly-fed Induction Generator，簡稱DFIG)是繞線式異步發電機的一種，其定子繞組直接接入工頻電網，轉子繞組接線端由三只滑環引出，因此可以對轉子進行交流勵磁。其轉子繞組通常由一臺雙向變頻器接至電網，圖1為其結構原理圖。

圖1 雙饋型風機結構原理圖Fig.1 Structure schematic diagram of DFIG

由圖1可知，雙饋風力發電系統的主要部件包括風輪﹑增速齒輪箱﹑交流發電機﹑雙PWM變流電路﹑控制系統等。風力機把風能轉換為機械能，發電機把機械能轉換為電能。雙饋感應風力發電系統的工作原理是：當風速降低時，風力發電機轉速降低，雙饋感應發電機的轉子轉速ω也降低，轉子繞組電流產生的旋轉磁場轉速ω2低于雙饋感應風力發電機的同步轉速ω1，定子繞組感應電動勢的頻率f低于額定頻率f0(50Hz)，此時轉速測量裝置立即將轉速降低，這一信號反饋到交流-直流-交流雙向變頻器，使轉子電流頻率增高，則轉子旋轉磁場的轉速又回到同步轉速ω1，于是定子繞組感應電動勢的頻率又恢復到額定頻率f0[3]。以同步旋轉坐標系為參考，采用定子磁鏈進行定向，根據雙饋機的電壓及磁鏈方程可得定子側電功率為[4]

轉子側電功率為

式(1)-(3)中：usd、usq為定子d軸﹑q軸電壓；urd、urq為轉子d軸﹑q軸電壓；isd﹑isq為定子d軸﹑q軸電流；ird﹑irq為轉子d軸﹑q軸電流；Ps﹑Qs為定子側有功和無功功率；Pr﹑Qr為轉子側有功和無功功率。

2 風電并網潮流分析

潮流計算是根據給定的電網結構﹑參數和發電機﹑負荷等元件的運行條件，確定電力系統各部分穩態運行狀態參數的計算。通常給定的運行條件有系統中各電源和負荷點的功率﹑樞紐點電壓﹑平衡點的電壓和相位角。待求的運行狀態參量包括電網各母線節點的電壓幅值和相角，以及各支路的功率分布﹑網絡的功率損耗等。

本文選擇的是牛頓法(功率式)[5]，將發電機節點視為PV節點，n個節點電力系統的潮流方程的一般形式是

采用直角坐標時，節點電壓可表示為

導納矩陣元素則表示為

將上述表示式代入式(4)的右端，展開并分出實部和虛部，便得

假定系統中的第1,2,…,m號節點為PQ節點，第i個節點的給定功率設為Pis和Qis，對該節點可列寫方程是2(n-1)個。不難寫出如下的修正方程式

假定系統中第m+1，m+2，…，n-1號節點為PV節點，則對其中每一個節點可以列寫方程

第n號節點為平衡節點，其電壓Vn＝en+jfn是給定的，故不參加迭代。

式(8)和式(9)總共包含了2(n-1)個方程，待求的變量有e1，f1，e2，f2，…，en-1，fn-1，也是2(n-1) 個。不難寫出如下的修正方程式

式中：J是雅可比矩陣。

上述方程中雅可比矩陣的各元素，可以對式(8)和式(9)求偏導數獲得[6]。當i≠j時

3 風電并網暫態穩定分析

3.1 電網暫態穩定分析概況

電力系統暫態穩定指的是電力系統受到大干擾后，各發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定運行狀態的能力，通常指第一或第二擺不失步[7,8]。電力系統暫態穩定分析的主要目的是檢查系統在大擾動下(如故障﹑切機﹑切負荷﹑重合閘操作等情況)，各發電機組能否保持同步運行。如果能保持同步運行，并且有可以接受的電壓或頻率水平，則稱此系統在這一大擾動下是暫態穩定的。

常規電力系統暫態穩定裕度常用故障臨界清除時間(Critical Clearing Time, CCT)衡量，CCT也適用于含有風電的電力系統暫態穩定分析。采用故障臨界清除時間表征電網暫態穩定性：線路故障臨界清除時間越大，系統的暫態穩定性越強。系統故障取線路短路最嚴重情況，即線路三相短路。CCT表示為：

式中：tf和tcl分別是故障發生和清除時間。

3.2 雙饋風電機組的暫態特性

DFIG是在普通繞線式異步感應電機的基礎上，外加連接在轉子滑環與定子之間的變流器及其控制系統，屬于交流勵磁異步化同步電機的一種[9]。轉子的電角速度ωr﹑轉子外加勵磁電源產生的旋轉磁場角速度ωe與同步旋轉磁場角速度ω0的關系為：

DFIG為異步運行，其轉子轉速可以通過改變交流勵磁電源的頻率進行調節，克服了傳統同步發電機必須嚴格同步的要求，把發電機機械與電氣之間的剛性聯系變為柔性聯系[7]。其穩態電路模型如圖2。

圖2 DFIG的穩態電路模型Fig.2 Steady state circuit model of DFIG

DFIG具有廣泛的穩定運行范圍，在任一滑差的運行點上具有與傳統同步發電機相同的功角特性：

4 算例分析

4.1 基礎數據

QYS風電場被列為全國十大風場之一，同時也是所屬省份全省最大的風電場，根據LC氣象站及風電場場址區測風資料統計，氣象站的多年平均風速為1.57m/s(1975年～2004年)，風電場場址區10m高度測風年(2003年2月1日～2004年1月31日)年平均風速為5.49m/s，最大風速25.2m/s。其主導風向穩定，風速的日變化較小，破壞性風速少，大風日多且持續時間長，具有一定的風資源開發前景。因此本論文選取ESLC地區的大規模風電資源并入電網為例進行研究。

4.2 故障臨界清除時間

為了研究地區電網與風電場的暫態穩定性，本文中故障設置為風電場升壓站110kV母線發生三相短路，這是風電場有可能遭遇的最惡劣情況。以NP110kV并網母線為例，接入規劃容量(491.3MW)風電計算水平下，故障類型為NP110kV母線發生三相短路，故障開始時間為tf＝5s，故障清除時間分別為tcl＝5.39s和tcl＝5.40s時，仿真分析NP110kV母線的電壓變化情況。

由圖4可以看出，在故障清除時間CT(clearing time)為0.39s時，NP110kV母線電壓仍可恢復到正常水平，而當CT=0.40s，母線電壓大幅度振蕩，不可恢復至正常水平，系統崩潰，表明ENP110kV母線發生三相短路時，系統的故障臨界清除時間(CCT)為0.39s。

圖4 ENP110kV母線發生故障時電壓變化曲線Fig.4 Voltage curve of ENP 110kV bus after fault

4.3 風電場單點接入暫態特性分析

通過對包含風電場動態模型的時域仿真，求解風電場單點接入時，電網暫態故障條件下系統的故障臨界清除時間，判斷風電場對系統暫態穩定的影響。風電場單點并網時，考慮并網點網架結構和并網容量的典型性，僅考慮母線ENP110接入風電場(見表1)，計算在接入與不接入這2座風電場時的CCT，故障點設置在NP110kV母線，故障類型為三相短路，故障開始時間tf＝5s。

由表1可以看出，在風機并網點發生三相短路時，接入風機與未接風機的CCT基本相等。這是由于當在風機并網點三相短路時，由于其母線電壓跌落為零，風機脫網，對網側無貢獻[22]，故在接入風機與未接風機時，CCT基本相等。從圖5可以看出，NP110kV母線并網容量98.8MW時，在接入與不接入風電場，故障清除后恢復過程基本相同，風電機組的貢獻微弱。

圖3 風電接入地理位置接線圖Fig.3 Location of Wind generation access to the power grid

表1 風機接入后系統故障CCT對比表(單位：s)Tab.1 CCT of fault after wind generation access to the power system

圖5 風機并網母線電壓變化曲線Fig.5 Connection bus voltage curve of wind generation

4.4 風電場多點接入暫態特性分析

方案1：NP﹑LC﹑LW110kV母線接入規劃風電機組時，在NP110kV母線處發生三相短路，故障開始時間tf＝5s，故障清除時間tcl＝5.33s，以SBL風電場為例觀察雙饋機組各狀態量變化(以下各值均為標幺值)。

方案2：NP﹑LC﹑LW110kV母線接入同等容量的同步機組小水電機組時，NP110kV母線處發生三相短路，故障開始時間tf＝5s，tcl＝5.33s，選擇替代SBL風電場位置的水電機組為例，觀察各狀態量變化(以下各值均為標幺值)。

圖6 雙饋機組與同步機組各狀態變量的對比曲線Fig.6 Comparison curves fo DFIG and Synchronous generator

圖a和b的對比分析得出，用同等容量的水電機組代替風力發電機組，在發生同樣的故障且故障同時清除的條件下，同步機組與雙饋風電機組都會加速并發生轉速及有功功率的振蕩，雙饋電機風電場有功功率振蕩相比同步機組電廠的有功功率振蕩要小很多，這充分反映出電網側發生故障時雙饋風電機組與同步機組不同的特性，雙饋風電機組較同步機組有著更好的暫態穩定特性。

圖c﹑圖d可以看出，用同等容量的水電機組代替風力發電機組，在發生同樣的故障且故障同時清除的條件下，雙饋機組的電壓和無功功率變化在故障清除后恢復得更快，其對電網的支撐作用也明顯高于水電機組。

從能量平衡角度看，在系統故障期間，由于電磁轉矩和機械轉矩不平衡，會導致雙饋風電機組加速，其中一部分不平衡能量會暫存在風電機組葉片與轉子加速旋轉的動能中，這部分暫存的能量能夠降低風電機組在暫態過程中對電網的沖擊[25]。因此，在一定的并網容量下，接入雙饋風電機組時，電力系統的暫態穩定性要好于在同一點接入等容量同步發電機組。

5 結論

本文研究了雙饋風電機組的數學模型，對其并網后的潮流計算進行了分析，在此基礎上分析了風電機組的暫態數學模型，通過實際地區電網的仿真分析，驗證在多點接入情況下電網的暫態穩定能力，得到以下結論：(1)雙饋風電機組較同步機組有著更好的暫態穩定特性。在發生同樣的故障且故障同時清除的條件下，雙饋機組的電壓和無功功率變化在故障清除后恢復得更快，其對電網的支撐作用也明顯高于同步發電機組。(2)在風機并網點發生三相短路時，接入少量風機與未接風機的CCT基本相等。(3)在接入容量一定的情況時，故障清除后，接入風機比不接入風機母線電壓恢復得更為平穩，風電場接入后對電網的暫態穩定性有明顯的改善，并且隨著系統并網風電容量的增加，系統的暫態穩定性不斷提高。

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Transient Stability Analysis of DFIG Access to Region Power Grid

ZHAN Xiaohe1, XU Yongwei2, ZHU Mei2
(1.Jiangsu Huadian Yangzhou Power Generation Corporation Limited, Yangzhou, 225000, China; 2.Yangzhou Power Supply Company, Yangzhou 225009, China)

Large-scale wind farms integrated with the grid will change Power flow distribution, voltage Profile and system rotate intertie, which results in Profound influence on transient stability of the Power grid.So it is necessary to study the transient stability of Integration of Wind Farms into Power Systems.In this paper, the general model of doubly-fed and direct drive wind turbines in Power System Analysis Soft Package(PSASP) was used, and the Newton-Raphson method stated with power equation was chosen to calculate the load flow.Wind farms were accessed in single point or multi-points, wind farms were accessed in different points and different capacity of wind farms were accessed, Using PSASP to do load flow calculation and transient stability simulation, the Critical Clearing Times(CCT) in different kind of cases were obtained, then analyzing transient stability of the power system

DFIG; access to power grid; power flow analysis; transient stability

詹孝和，徐永衛，朱梅．DFIG型風電機組多點接入地區電網暫態穩定分析[J]．新型工業化，2015，5(5)：25-32

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.04

:Zhan Xiaohe, Xu Yongwei, Zhu Mei.Transient stability analysis of DFIG access to region power grid [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 25?32.

詹孝和(1959-)，男，江蘇揚州人，高級技師，主要研究方向：繼電保護的研究；徐永衛(1966-)，男，江蘇張家港人，工程師，主要研究方向：電力通信方面的研究；朱梅(1971-)，女，江蘇揚州人，工程師，主要研究方向：電力系統通信方面的研究。