基于Dig SILENT的風電場并網暫態穩定分析與比較

杜旭浩，馬天祥，魏力強，孫翠英

(國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊　050021)

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基于Dig SILENT的風電場并網暫態穩定分析與比較

杜旭浩，馬天祥，魏力強，孫翠英

(國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊050021)

摘要：隨著大型風電場的不斷投入，其并網暫態穩定問題，也受到人們的關注。基于Dig SILENT仿真平臺，分別建立了含有雙饋和永磁同步直驅兩種不同風力發電機組的電網仿真計算模型。結合某風電場的接入實例，模擬了A市電網發生N-1三相短路故障時，兩種不同風力發電機組的暫態穩定情況，并對仿真結果進行了分析比較，給出了參考建議。

關鍵詞：風電場并網；暫態穩定；N-1；雙饋；永磁直驅

Abstract：With the continuous integration of large-scale wind farms with the grid, the transient stability problem caused by grid connection is attracted more and more attention. Based on Dig SILENT, the simulation model of power grid is established containing two kinds of different wind power generation units, that is, double-fed and permanent magnet direct drive. According to an integration example of a wind farm, the transient stability of these two kinds of wind power generation units is simulated during N-1 three-phase short-circuit fault. The simulation results are analyzed and compared, and the reference suggestions are given.

Key words：grid-connected wind farm; transient stability;N-1; double-fed; permanent magnet direct drive

0引言

隨著風電技術的不斷研究和發展，中國風電產業逐漸走向規模化，然而大型風電場接入電網會對系統的安全穩定運行帶來影響，尤其是系統的暫態穩定問題[1]。當系統發生大擾動時，大容量的風電場應盡量避免簡單的切機措施，采取提高故障穿越能力等措施，為系統的暫態穩定提供支撐[2]。

為了考察電網發生大擾動期間，風電場保持并網運行的能力，基于Dig SILENT仿真平臺，建立了含有風電場的電網仿真計算模型。模擬了A市電網發生N-1三相短路故障時，風電場并網公共連接點PCC點的母線電壓以及有功、無功出力的變化情況，并對風電場采用雙饋和永磁同步直驅兩種不同風力發電機組并入電網時的情況，進行了分析比較，給出了恰當的建議，對今后的風電場入網暫態穩定研究及其他同類型機組的通流試驗研究有一定實際意義。

1風力發電系統建模

基于定子通流及轉子通流試驗的原理及方法，選取Dig SILENT仿真平臺，分別建立雙饋和永磁同步直驅兩種風電機組模型，并與電網相連接，形成含有風電場的電網計算模型。

1.1雙饋風力發電系統

雙饋風機的通用結構如圖1所示，風機采用變槳距控制，可以追蹤最大風能，提高風能利用率；定子繞組并網，轉子側通過變頻器并網，可對有功和無功進行控制[3]。雙饋風力發電系統運行時可實現能量雙向流動，當風機運行在超同步速度時，功率從轉子流向電網；而當運行在次同步速度時，功率從電網流向轉子[4]。

圖1　雙饋電機風力發電系統

以Dig SILENT軟件建模，由于該軟件中定子磁鏈可直接從電機模型輸出結果中獲取，因此可直接取用定子磁鏈矢量。需將轉子dq坐標系下的轉子電流idr、iqr轉換到定子磁鏈坐標系上。首先將轉子電流idr、iqr轉換至兩相同步靜止坐標系(x-y坐標系)下：

(1)

然后從兩相同步靜止坐標系下轉至兩相同步旋轉坐標系(m-t坐標系)，即定子磁鏈坐標系下：

(2)

式中:θs為磁鏈同步角，它是從定子軸x軸到磁鏈軸m軸的夾角;θr為轉子位置角，它是轉子坐標系d軸與定子x軸之間的夾角。同步旋轉坐標系m軸固定在磁鏈矢量上，t軸超前m軸90°，該坐標系和磁鏈矢量一起在空間以同步角速度旋轉。

同時采用電流閉環控制抑制交叉耦合項的干擾，由此可得雙饋電機轉子側矢量控制的模型，如圖2所示。

圖2　雙饋電機轉子側控制模型

電網側變頻器經濾波電感后并網，以網側電壓Vs作為d軸，實現dq的解耦控制，通過控制注入電網側有功電流id和無功電流iq，即可實現對有功功率和無功功率的解耦控制，控制模型如圖3所示。

圖3　雙饋電機電網側變頻器控制模型

1.2永磁同步直驅風力發電系統

永磁同步直驅風力發電系統通用結構如圖4所示，通過兩個全功率變頻器與電網相連[5]。變頻器可將頻率變化的電能轉換為與電網頻率相同的恒頻電能，風機原動側也采用最大風能跟蹤，其基本原理同雙饋風力發電系統相同[6]。

圖4　永磁同步直驅風力發電系統

發電機側變頻器，以發電機母線處電壓作為d軸作坐標變換，實現dq分量的解耦控制。通過矢量控制的方法，實現同步發電機的有功功率和無功功率的解耦控制，控制目標為有功功率按照最優功率曲線變化，同時保持與發電機無功交換為零，如圖5所示。

圖5　永磁風機電機側變頻器控制模型

電網側變頻器，以并網側母線電壓作為d軸實現有功功率與無功功率的解耦，以控制直流電壓在設定值為目標，同時保持變頻器與電網交換的無功功率按指定的功率因數變化，也就是恒功率因數控制，如圖6所示。

圖6　永磁風機電網側變頻器控制模型

2仿真分析

風電場內部風機通過集電線路將功率匯集至風電場35 kV母線處，35 kV母線經過升壓變壓器接至系統220 kV側母線。對A市電網的部分線路進行故障仿真計算，校驗N-1條件下接入大型風電場后的該市電網暫態穩定情況，分析大型風電場對該市電網穩定性的影響；并對雙饋風電機組和永磁同步直驅風電機組的暫態穩定性進行分析比較。

仿真計算流程如下：根據A市電網2014年基礎數據，按照規劃容量48 MW接入風電場，分析區域內部某220 kV線路發生三相短路故障下，風電場PCC點母線電壓以及有功、無功出力變化情況。

2.1雙饋風機接入的暫態仿真分析

軟件中設置單臺雙饋風機容量為2 MW，每8臺為1組，共3組通過集電線路將功率匯集至風電場35 kV母線處，其保護設定如表1所示。

表1　雙饋風電機組保護設置

在PCC點鄰近的某220 kV單回線路50%處設置發生三相短路故障，故障由第0.1 s發生，故障發生后0.1 s后單回線路斷開。PCC點母線電壓以及有功、無功出力變化情況輸出曲線如圖7～圖9所示。

圖7　雙饋風機接入風電場PCC點母線電壓

圖8　雙饋風機接入風電場有功出力變化

在故障發生后，PCC點母線電壓有所降低，隨著故障線路的切除，母線電壓能夠快速恢復至故障前水平，系統保持穩定。但是由于故障距離風電場較近，風電場有功和無功出力波動較大。故障期間，沒有出現暫態電壓失穩情況，風電場沒有進行切機保護動作。

圖9　雙饋風機接入風電場無功出力變化

2.2永磁同步直驅風機接入的暫態仿真分析

軟件中設置單臺永磁同步直驅風機容量也為2 MW，每8臺為1組，共3組通過集電線路將功率匯集至風電場35 kV母線處，其保護設定如表2所示。

表2　永磁同步直驅風機機組保護設置

故障設置同雙饋風機，PCC點母線電壓以及有功、無功出力變化情況輸出曲線如圖10～圖12所示。

圖10　永磁同步直驅風機接入風電場PCC點母線電壓

圖11　永磁同步直驅風機接入風電場有功出力變化

在故障發生后，PCC點母線電壓有所降低，隨著故障線路的切除，母線電壓能夠快速恢復至故障前水平，系統保持穩定。由于風機保護動作風電場被切除，此時風電場有功出力與無功出力均為0。

圖12　永磁同步直驅風機接入風電場無功出力變化

3結論

基于定子通流及轉子通流試驗的原理及方法，選取Dig SILENT仿真平臺，建立了含有風電場的電網仿真計算模型。分別考慮接入雙饋風力發電機組和永磁同步風力發電機組，進行了N-1故障仿真。從雙饋風力發電機組與永磁同步直驅風力發電機機組的仿真分析對比結果可發現，雙饋風力發電機組在A市內發生故障時保護均未動作，能夠較好地為電網暫態穩定提供支撐；而永磁同步直驅風機保護動作切機，相比之下，在A市的網架結構下，雙饋風力發電機組的穩定性要好于永磁同步直驅風力發電機組：因此綜合考慮，宜采用雙饋風力發電機組接入系統，這對今后的風電場入網暫態穩定研究及其他同類型風電機組的通流試驗研究具有一定實際意義。

參考文獻

[1]盧錦玲,石少通,徐超,等. 含大型風電場系統暫態電壓穩定性分析[J]. 華北電力大學學報(自然科學版),2014,41(1):45-52.

[2]李升,王家華. 恒速異步發電機型風電場低電壓穿越能力仿真研究[J]. 大電機技術,2014(1):24-27.

[3]吉興全,劉貴彬,李丹,等. 一種雙饋式風機并網的電能質量在線監測方法[J]. 電力系統保護與控制,2014,42(17):145-150.

[4]王松,李庚銀,周明. 雙饋風力發電機組無功調節機理及無功控制策略[J]. 中國電機工程學報,2014,34(16):2714-2720.

[5]劉波,金昊. 永磁直驅風電系統雙PWM變換器前饋補償控制[J]. 電力系統保護與控制,2014,42(15):52-57.

[6]茅靖峰,吳愛華,吳國慶,等. 基于擴張狀態觀測的永磁直驅風力發電系統MPPT自適應滑模控制[J]. 電力系統保護與控制,2014,42(18):58-65.

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0081-03

作者簡介：

杜旭浩(1986)，碩士研究生、工程師，研究方向為電力系統電能質量及微網。

(收稿日期：2015-11-08)