提高風電場暫態穩定性的超導磁儲能機組協調控制

劉元 許震歡

【摘 ?要】風力發電在電力系統中的滲透率逐年增加，提出了對低電壓穿越的要求。然而，風力機常用的各種低電壓穿越方案往往會改變風力機的運行狀態，對系統的暫態穩定性帶來雙重影響。本文將風力機的輸出功率與系統的等效機械功率相結合，推導出兩者之間的數學關系。在此基礎上，分析了低電壓穿越對系統暫態穩定性影響的機理，同時提出了一種超導磁儲能協調控制方案，以提高風電場并網發電系統的暫態穩定性。在轉子撬棒實現低電壓穿越的同時，根據等效系統機械功率的影響規律，調整超導磁儲能的補償策略，以達到更高的系統暫態穩定性能。最后，通過MATLAB/Simulink仿真驗證了該控制方案的有效性。

【關鍵詞】低電壓穿越;超導磁儲能

1 引言

風能以其環保無污染的特點，在電力系統中占有較大的比重。隨著風電在電網中的滲透率不斷提高，對低壓穿越提出了要求。近年來，針對雙饋感應發電機提出了幾種低電壓穿越方法，其中應用最廣泛的是添加撬棒保護電路。風力發電場在低電壓穿越過程中還會影響同步電機的電磁功率和電力系統的暫態穩定性，因此研究撬棒電路對系統暫態穩定性的影響具有重要意義。

針對風力發電場對電力系統暫態穩定的影響，國外在暫態功角穩定方面已有一些研究成果。然而，大多數研究分析的是風電場本身或風電場對電力系統的影響，而沒有分析低電壓穿越對系統暫態穩定性的影響。本文通過理論推導的方法，借助擴展的等面積準則分析了風力機對系統暫態穩定性的影響。然而，風力機的機械功率和電磁功率處理方式與同步機相似，并不適用于風力機。而關鍵問題是，大多數研究都缺乏一個合理的解決方案來提高系統的暫態穩定性。

針對這個問題，本文考慮到超導磁儲能裝置對電力系統的快速功率響應，利用超導磁儲能裝置四象限發電靈活增強并網風電場的動態特性，提出了一種協調控制方案，以改善并網風電場的動態特性。結合轉子撬棒和超導磁儲能裝置，實現了系統的暫態穩定。通過與超導磁儲能的合作，風力機在完成低電壓穿越的同時，可以提高系統的暫態穩定性。

2 雙饋感應風機接入位置對電力系統穩定性的影響

3 利用超導磁儲能與轉子撬棒相結合的協調方案

3.1 協調方案控制機制

提出了一種考慮超導磁儲能和雙饋感應風機電源的聯合轉子撬棒和儲能設備的協調控制策略，在故障期間和恢復過程中，風電場可以調整風力渦輪機的輸出功率，使之成為一種新型的風力發電機組。根據需要配置電源，滿足了低電壓穿越的要求，提高系統的暫態穩定性。

從（4）開始， 的正負號使得相同的輸出功率對系統暫態穩定性有不同的影響。當 為正，等效系統的機械功率隨電磁功率的減小而減小;當 為負，等效系統的機械功率隨電磁功率的減小而增大。同時，機械功率的變化意味著系統加速和減速區域的不同，直接影響系統的暫態穩定性。

3.2 協調方案控制流程

1）在功角上升時，

當 大于0，超導磁儲能被控制吸收功率;

當 小于0，超導磁儲能被控制發出功率;

這減小了等效系統的機械功率，增大了加速面積，減小了減速面積。

2）在功角下降時，

當 大于0，超導磁儲能被控制發出功率;

當 小于0，超導磁儲能被控制吸收功率。

這提高了等效系統的機械功率，增大了加速面積，減小了減速面積。

4 仿真結果

在Matlab/Simulink平臺上對擴展雙機進行了研究。如圖1所示，超導磁儲能裝置可以根據我們的需要調整輸出功率。從圖2可以看出，采用協調控制方案的系統中，同步電機之間的功率角差幅值較僅采用轉子撬棒的系統明顯減小了 以上，尤其是在故障恢復過程中。

5 結論

在轉子撬棒實現低電壓穿越的同時，利用超導磁儲能控制器對節點系統的輸出功率進行有目的的控制，在一定程度上提高了系統的暫態穩定性。

參考文獻：

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（作者單位：國網上海市電力公司培訓中心）