不同風電機組接入電網的暫態電壓穩定性研究

李自明，常喜強，王海云，姚秀萍

(1.新疆大學，新疆 烏魯木齊　830008；2.新疆電力調度控制中心,新疆 烏魯木齊　830001)

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不同風電機組接入電網的暫態電壓穩定性研究

李自明1，常喜強2，王海云1，姚秀萍2

(1.新疆大學，新疆 烏魯木齊830008；2.新疆電力調度控制中心,新疆 烏魯木齊830001)

在中國，因為特殊的地理環境，風電裝機容量在整個電網中的占有率得到激增，風電場一般建設在電力系統輸電網的末端，且地區經濟不發達，網架結構較弱。但風電的快速發展，使得在短時間內大規模風電場集中接入電網，給電網的有功和無功平衡帶來大幅度波動，這種大的擾動嚴重威脅到電網的暫態電壓穩定。因此建立了基于普通異步風力發電機組(AWT)、雙饋異步風力發電機組(DFIG)的暫態數學模型，并以新疆北部某一地區作為算例仿真分析了這兩種風力發電機組以不同比例接入系統后的暫態電壓穩定性。根據仿真得出的臨界故障清除時間(CCT)表明，雙饋風力發電機組接入系統時的暫態電壓比普通異步風力發電機組接入系統更穩定。

風電并網；普通異步風力發電機組；雙饋異步風力發電機組；暫態電壓穩定；極限切除時間

截止2014年年末，新疆電網電源規模整體繼續呈現快速增長態勢，新能源中的風電增長仍占主導地位，且增速加快。新疆電網新增電源明細情況表如表1所示。

表1　新疆電網新增電源明細

從表1可看出，2014年新疆電網新增風電場42座，新增風電裝機容量為5 155 MW，占新疆電網各類電源新增裝機總容量的26.3%，同比增長78.9%，增速遠超火電(35.8%)、光伏(41.3%)。風電機組裝機容量增加，風電并網規模也隨之增長，風能現已逐步替代常規能源并成為中國電網中的重要電源之一。由于風能具有間歇性、不可調度性的特點，這使得大規模風功率注入系統后，會改變電網無功潮流以及系統電壓，特別是那些風電場穿透功率較大的電網，一旦發生故障，將會造成大量風機脫網，威脅電力系統的安全運行[1]。現階段中國風電場中普通異步風電機組還占有相當大的比重，這種風電機組在運行過程中需要向系統吸收無功功率，將會對電力系統的電壓穩定性產生巨大影響[2]。因此，針對風電場中不同風電機組以不同比例接入系統后的暫態電壓穩定性問題進行深入的研究。

系統的暫態電壓穩定性是指發生擾動的電力系統不會出現電壓持續降低或者解列的能力[3]。若電壓嚴重降低會導致電動機停轉，發電機負荷降為0，系統振蕩直至崩潰，同時電壓過低也會導致STATCOM等無功電源的出力降低，進而降低了系統的電壓穩定性。文獻[4-6]通過在Matlab中搭建風電場并網系統模型，分析了在網側發生三相短路時的暫態電壓穩定性。文獻[7-9]通過仿真分析了雙饋風電機組接入地區電網的電壓穩定，得出雙饋風電機組在故障后能夠減少系統所需的無功儲備，從而有利于地區電網的電壓穩定。

針對上述多數文獻僅對單種風機并網進行研究，但是很少有對不同風機組成的風電場并網暫態電壓穩定性進行研究問題，下面建立了基于普通異步風電機組和雙饋風電機組的暫態模型。以新疆北部某一地區為案例仿真分析了不同風電機組，按不同比例組成的風電場接入某一地區電網后系統的暫態電壓穩定性。根據仿真結果，可以得出雙饋風力發電機組接入系統的暫態電壓比普通異步風力發電機組接入系統更穩定。

1　數學模型

1.1普通異步風電機組暫態模型

隨著新型風力發電機組性價比的提升以及新電網導則的引入，普通異步風力發電機最終退出風電領域已是大勢所趨；但就目前電網而言，這類風電機組在電網還占有相當比重，仍然要對其模型進行深入研究。普通異步風力發電機組一般是由葉片、輪轂、齒輪箱、軸系以及異步發電機幾部分組成。它的能量流動如圖1所示。

圖1　普通異步風電機組的能量流動

圖1中的普通異步風電機組首先由葉片撲獲風能，然后將風能轉換為作用在輪轂上的機械能，由此帶動齒輪箱和軸系的轉動，再將此機械能轉換為發電機上的電能，電能向電網傳輸過程通常需要并聯電容器，來補償電力系統感性負荷的無功功率，改善電能質量，最終將優質電能輸送至電網的受端。其中風能與機械能的轉換是形成電能的關鍵部分。風能與風機的機械轉矩之間的關系可用式(1)表示[10]。

(1)

式中：Mw為風力機葉片轉矩；ρ為空氣密度；R為葉片半徑；Vw為作用于葉片的風速;λ=ΩR/Vw為葉尖速比，Ω=2πR/60，為葉片機械角速度；ΩN為風力機額定機械角速度；PN為風力機額定功率；CP為風能利用系數，其大小與葉尖速比λ和葉片槳距角β有關。

研究風電系統的暫態特性需要考慮異步發電機的機電暫態過程，普通異步風力發電機等效電路如圖2所示。

圖2　異步電機等效電路

異步發電機的定子電壓方程為

Vs=-(rs-jX′)Is+E′

(2)

式中:E′、Vs、Is、rs分別為發電機暫態電勢、定子電壓、輸出電流和定子電阻；X′=Xs+XrXm/(Xr+Xm)為發電機等效暫態電抗，Xs、Xr和Xm分別為發電機定子電抗、轉子電抗和激磁電抗。

異步發電機轉子電磁暫態方程[18]為

(3)

式中：s為滑差；xs和xm分別為發電機定子電抗和激磁電抗。x′=xs+xrxm/(xr+xm)，為發電機等效暫態電抗；f0為系統頻率,Hz。

1.2DFIG風電機組暫態模型

基于DFIG的雙饋風力發電機是目前風電場采用的主流機型之一，它是一種采用脈寬調制技術的新型風力發電機組，該類型的風力發電機的定子繞組與電網有電氣聯接，其轉子繞組也通過變頻器(一般由轉子側整流器、控制器、直流電容及網側逆變器組成)與電網相聯，如圖3所示。

圖3　雙饋風電機組簡圖

圖3所示的雙饋風電機組的轉子繞組由變頻器和控制器提供幅值、相位可調的勵磁電源，供給三相低頻勵磁電流，以實現恒頻輸出。若葉片撲獲的風速較低，則風力發電機必須運行在低于同步轉速的狀態才能有較高的發電效率。為達到發電機機械轉矩與電磁轉矩兩者平衡，轉子繞組從電網吸收一定數量的功率再通過定子繞組送回電網，以保持電網的功率平衡。若葉片撲獲的風速較高，風力發電機則需要運行在高于同步轉速的狀態才能發出更多有功；在這種情況下一部分功率將直接通過轉子繞組送入電網；當風力發電機運行在同步速時，如果忽略損耗，轉子繞組通過的功率都由定子繞組完成。

圖3中的雙饋風力發電機的轉子回路可以通過發電機滑環外接電壓源，即轉子電壓urd與urq不等于0，并且通過控制轉子外接電壓的值可以控制雙饋感應發電機發出的有功與無功功率。由貝茲理論可知，風機的輸出機械轉矩為

Tm=Pm/ωt=0.5ρπR2CpVm3/ωt

(4)

式中：Pm為風機的輸出電磁功率；CP為風機的風能利用系數；ρ為空氣密度；R為風輪機葉片半徑；Vm為風速。

風能利用系數CP可按式(5)計算得

Cp=0.44(125/λi-6.94)e-16.5/λi

(5)

式中：λi=1/(1/λ+0.002)；λ為葉尖速比，其定義為λ=ωtR/Vm。

圖3中的變頻器采用的是可以雙向流動的交-直-交變頻裝置，這是為了適應雙饋風力發電機轉子超同步時向系統饋送功率或是次同步時從系統吸收功率的需要。如圖4(a)、(b)所示，給出了d、q軸下的DFIG的等效電路。

圖4　DFIG的d、q軸等效電路圖

電磁轉矩為

(6)

式中：ids和iqs分別為圖4中定子電流的d、q軸分量；idr和iqr分別為圖4中轉子電流的d、q軸分量；Lm為定轉子間互感；ω0、ω、ωs分別為電機同步角速度、轉子角速度和轉差角速度；Te為風力發電機電磁轉矩；J為發電機轉動慣量；Np為極對數；S為轉差率。

2　案例仿真分析

風電場內輸電線路(架空線或者地埋電纜線)發生短路故障，會造成故障點附近電網的電壓水平降低，電容器、SVC等無功電源的出力降低，使得某些線路或變壓器過載，導致線路上的無功損失大幅增加；如果故障致使發電機組退出運行，除了造成電網有功缺失外，也會造成電網無功電源的損失。上述現象都會引起系統的暫態電壓問題[11-12]。

而新疆地區的風電資源主要集中在東疆和北疆片區。由于北疆電網220 kV布點多、網架密；且該地區感性無功補償容量不足，冬季小負荷期間該地區部分末端廠站電壓偏高運行較難控制。尤其是在大量風電集中投產后，由于短路水平較低，風電場SVC難以協調控制，導致該地區的風電場升壓站特別是布爾津、龍灣、額爾齊斯匯集站電壓受風電出力影響波動較大，易出現低頻振蕩問題。故以新疆北部某一地區電網為例，將不同風電機組以各種比例組合來分析系統暫態電壓穩定性。該地區主要網架結構如圖5所示。該地區西部風資源豐富，規劃建設的6大風電場，總裝機容量為346.5 MW。已經建設0.75×66 MW的布爾津天潤風電場，機組采用750 kW普通異步風電機組和1.5 MW雙饋風電機組，風電機組出口電壓為0.69 kV，通過箱式變電站升壓至10 kV，送至風電場升壓站升至110 kV，再通過110 kV線路接入金風風電T變電站。

由圖5可以看出，該地區電網通過220 kV的克額線(克拉瑪依—額爾齊斯)、豐龍線(和豐—龍灣)與新疆主網聯系，該地區主網架結構采用110 kV電壓等級。剛建成的龍灣變電站是幾個風電場和沖乎爾水電站匯流的地方，且通過220 kV線路直接與額爾齊斯變電站相連，地理位置極其重要；布爾津變電站靠近幾個常規電廠，與新疆主網連接的額爾齊斯以及龍灣變電站連接了大量負荷，基于以上考慮，主要分析這幾個重要變電站的暫態電壓穩定性。布爾津天潤風電場所接入的風電機組參數如表2所示。

圖5　新疆北部某地區網架結構示意圖

普通異步風電機組發電機參數風力機參數雙饋風電機組發電機參數風力機參數額定功率/MW0.75切入風速Vi/(m·s-1)3額定功率/MW1.5切入風速Vi/(m·s-1)3額定電壓/V690基本風速Vr/(m·s-1)15額定電壓/V690基本風速Vr/(m·s-1)11.8額定頻率/Hz50切除風速V0/(m·s-1)25額定頻率/Hz50切除風速V0/(m·s-1)25定子電阻R1/(p.u.)0.0038風輪半徑/m30定子電阻R1/(p.u.)0.0064風輪半徑/m35.2定子電抗L1/(p.u.)0.1248塔高/m70定子電抗L1/(p.u.)0.1421塔高/m80轉子電阻R2/(p.u.)0.0083推力系數CT0.2轉子電阻R2/(p.u.)0.0091推力系數CT0.2轉子電抗L2/(p.u.)0.1791傳動軸系數(雙質塊)時間系數/s5.24轉子電抗L2/(p.u.)0.1920傳動軸系數(雙質塊)時間系數/s7.64激磁電抗Lm/(p.u.)6.77激磁電抗Lm./(p.u.)7.02轉子慣性時間常數Tj3.04轉子慣性時間常數Tj1.54定子開路轉子時間常數T'd01.44定子開路轉子時間常數T'd01.14

該地區電網在最大負荷方式下運行，風電場接入點PCC處在t=2 s發生三相短路故障，故障在t=2.57 s清除。通過仿真風電機組各種比例組合，發現以下幾種不同風電機組組合方式具有代表性，所以就以下幾種情況來分析系統暫態電壓穩定：

算例1：100%普通異步風電機組的天潤風電場接入系統；

算例2：70%普通異步+30%雙饋風電機組的天潤風電場接入系統；

算例3：50%普通異步+50%雙饋風電機組的天潤風電場接入系統；

算例4：30%普通異步+70%雙饋風電機組的天潤風電場接入系統；

算例5：100%雙饋風電機組的天潤風電場接入系統。仿真結果如圖6所示。

表3　極限切除時間表

從圖6(a)～圖6(d)可以看出，在t=2 s天潤風電場接入點PCC處發生三相短路故障，故障在t=2.57 s清除的情況下，由100%普通異步感應發電機組成的天潤風電場接入系統后暫態電壓失去穩定；而隨著雙饋風電機組的增加，系統暫態電壓穩定性變好，當全部由雙饋風力發電機組構成時，系統暫態電壓穩定性是最好的，故障清除后系統能夠保持

圖6　系統電壓曲線

穩定。這是由于普通異步感應發電機沒有像DFIG所具有的換流器控制環節，當系統發生短路故障時，機端電壓跌落，轉子加速；同時普通異步感應發電機從電網吸收大量的無功功率來保持高轉速，這將導致電壓進一步跌落，如不及時采取相應的補償措施，當接入的系統較弱時，最終會失去穩定。而雙饋風力發電機組具有換流器控制環節，在系統短路故障時，可以提供一定的無功支持，使系統電壓得以恢復或者過渡到一個新的穩定點。從圖6(b)～圖6(d)可以看出連接常規能源(水電站)的龍灣變電站和布爾津變電站比連接大量負荷的額爾齊斯變電站的暫態電壓穩定性好。

同時，不同風電機組對系統故障CCT也不同。從表3可以看出，算例5的CCT最大，算例1的極限切除時間最小，即雙饋風力發電機組風電場接入系統暫態電壓較普通異步風力發電機組風電場更穩定，與從圖6電壓仿真曲線得出的結果一致。

3　結　論

基于不同風電機組組合方式接入天潤風電場對暫態電壓進行時域仿真，由仿真結果給出了不同風力發電機組的風電場對系統暫態電壓不同程度的影響。

1)電網發生三相短路故障將引起周圍節點電壓降低,當故障出現在風電場周圍地區時，風電場吸收的無功增加，若該區域無功不充裕，則風電機組的機端電壓會持續降低,甚至崩潰，進而會引起風電場并網節點及其周圍節點的電壓出現較嚴重的暫態電壓失穩的現象，影響電網的安全運行。

2)當不同風力發電技術的風電場接入系統，離常規電源近的地區，其暫態電壓越穩定；反之，負荷比較集中的地區，無功需求大，暫態電壓穩定性差。

3)裝有雙饋風電機組的風電場比普通異步風電機組的風電場需要的無功功率小，甚至不需要，所以其暫態電壓也更穩定，對電壓的調節也更好，有利于地區電網的電壓穩定性。

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李自明(1989)，碩士研究生，主要研究方向為電力系統及其自動化；

常喜強(1976)，高級工程師，主要研究方向為電力系統分析與控制；

王海云(1973)，教授、碩士研究生導師，主要研究方向為可再生能源發電與并網技術；

姚秀萍(1961)，客座教授、碩士生導師、高級工程師，主要研究方向為電網調度運行、繼電保護。

In China, the installed capacity of wind power in the whole power grid is increasing due to the special geographical environment. The construction of wind farms is generally located in the transmission end of power system, the regional economy is not developed and the grid structure is weak. But with the rapid development of wind power, the large-scale wind farms in a short period of time are concentrated in power grid, which makes a drastic fluctuation for the balance of active power and reactive power in power grid and makes a serious threat to the transient voltage stability of power grid. The transient mathematical models based on common asynchronous wind turbine (AWT) and doubly-fed inductiongenerator (DFIG) are established, and taking the simulation of a certain area in the north of Xinjiang for example, the transient voltage stability of these two kinds of wind power generator units are analyzed. The critical clearing time (CCT) obtained from the simulation shows that the transient voltage of DFIG is more stable than that of AWT when they are integrated with power grid.

wind power integration; asynchronous wind turbine (AWT); doubly-fed induction generator (DFIG); transient voltage stability; critical clearing time (CCT)

TM712

A

1003-6954(2016)03-0021-05

2016-01-19)