大規(guī)模雙饋風機接入對電網暫態(tài)電壓的影響

周 云，巴 宇，馬海薇，馬海濤，趙肖旭，吳 林，張 佳

(國網江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發(fā)電技術是目前最具前景的風力發(fā)電技術之一。雙饋風機(doubly fed induction generator，DFIG)的工作原理與傳統(tǒng)發(fā)電機有本質區(qū)別。隨著風電裝機容量的不斷增長，研究DFIG 對電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全水平的影響顯得非常迫切[1-4]。

調節(jié)電網中的無功功率是一種改善節(jié)點電壓的有效方式，雙饋式風電機組因其具有解耦控制性能，能夠在穩(wěn)定電網電壓和補償無功方面發(fā)揮一定的作用[5]。保證電網的安全經濟運行是電網調度面臨的一大課題，利用DFIG 風電機組補償局部電網的無功功率，實現(xiàn)電網精益化調度，提高新能源消納水平。通過減少機組出力、聯(lián)絡線功率，轉子側變流器暫態(tài)功角控制，等效故障電源等新視角分析DFIG，以進一步提高電網暫態(tài)安全裕度，推進風機并網的發(fā)展。

1 含風機電力系統(tǒng)無功電壓特性分析

DFIG在網側變流器與轉子側變流器的控制下，通過控制異步電機轉子d，q 軸電流，實現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦控制，機組具備一定的無功功率調節(jié)能力。在穩(wěn)態(tài)運行時，基于DFIG 的風電場可以實現(xiàn)與主網系統(tǒng)之間無功功率交換為零的運行狀態(tài)，甚至可以向主網系統(tǒng)提供一定的無功功率。因此，正常運行時含雙饋型異步風機的電力系統(tǒng)能夠維持較好的電壓水平，對區(qū)域電網的電壓穩(wěn)定及靜態(tài)電壓水平有積極作用。含風機電力系統(tǒng)等效原理如圖1 所示。

圖1 含風機電力系統(tǒng)等效原理

由式(4)可以看出，電網發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的電壓Ut會跌落，此時風電場發(fā)出的無功功率可以通過連接風電場的等效電抗給系統(tǒng)注入一定的無功功率，對系統(tǒng)中的電壓Ut提供支撐，節(jié)點電壓被無功功率支撐的強度隨著注入系統(tǒng)中無功功率的增加而變強。

從系統(tǒng)中無功功率平衡的角度出發(fā)，暫態(tài)過程中風電機組能夠提供的暫態(tài)無功功率能夠有效彌補系統(tǒng)的短時無功缺額，有效提高暫態(tài)電壓安全裕度。無功功率平衡表達式為：

電力系統(tǒng)中節(jié)點電壓的穩(wěn)定水平主要取決于系統(tǒng)中無功功率水平，在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中，充分利用無功動態(tài)補償提供電壓支持，是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段。

2 風電接入點電壓支撐規(guī)律分析

雙饋異步發(fā)電機發(fā)出的無功功率由轉子電流控制，發(fā)出或者吸收的無功功率可以在大范圍內變化，也可通過配置能量存儲設備增強DFIG 低電壓穿越能力。假設風機均具備低電壓穿越能力，在電網發(fā)生故障情況下，保持機組并網運行可以提升故障切除后系統(tǒng)中節(jié)點電壓的恢復速度，含雙饋異步發(fā)電機并網穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2 所示。

圖2 含雙饋異步發(fā)電機并網穩(wěn)態(tài)等效電路

雙饋發(fā)電機結構與繞線轉子感應電動機相似，定、轉子均為三相對稱繞組，磁路、電路對稱，均勻氣隙分布。經過折算后，得到雙饋發(fā)電機基本方程為:

由上式可以看出，風機并網點電壓與風電場輸出電流、短路阻抗及故障點距離風電場的電氣距離相關，當風電場輸出的電流越大，故障點距離風電場的電氣距離越大或短路阻抗越大，對暫態(tài)期間并網點電壓的支撐作用越強。隨著風電滲透率的增加，風電場外送電流必然會增大，因此，理論上對并網點電壓的支撐作用也越強。

3 仿真實驗

3.1 仿真條件

為了證實該方法的有效性，采用新英格蘭39節(jié)點系統(tǒng)進行仿真驗證，如表1，圖3 所示。在BPA 環(huán)境下搭建含大規(guī)模風電集中接入的新英格蘭39 節(jié)點系統(tǒng)。仿真采用的雙饋風機模型控制方式為恒電壓控制。考慮三相接地短路故障發(fā)生在節(jié)點m (m=5，23，28)和k (k=8，24，29)之間線路的50 %處(見圖3)，故障時長為5 周波，DFIG風電機組接入點為39 號節(jié)點。利用暫態(tài)期間風機并網點電壓的最小值判斷暫態(tài)穩(wěn)定安全裕度變化。

表1 新英格蘭39 節(jié)點系統(tǒng)發(fā)電機出力

圖3 新英格蘭39 節(jié)點系統(tǒng)結構仿真

3.2 滲透率對暫態(tài)電壓安全的影響

暫態(tài)電壓穩(wěn)定因子(transient voltage stability index，TVSI)為暫態(tài)期間電壓最小值與穩(wěn)態(tài)時電壓值的比值。TVSI 能夠表征含風電機組電力系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，風電機組對系統(tǒng)電壓的支撐效果，該值越大，說明DFIG 風電機組對電壓支撐效果越好，系統(tǒng)在故障切除后恢復穩(wěn)定運行的速度越快。

從表2 中可以看出，仿真采用無風機接入、滲透率10 %風機接入、滲透率20 %風機接入三種情況進行計算。在穩(wěn)態(tài)情況下，DFIG 風電機組并網點電壓標幺值均為1.03，在發(fā)生故障的暫態(tài)過程中，DFIG 風電機組并網點電壓隨著滲透率的提高而上升，即TVSI 值隨著滲透率的提高而增大。

表2 不同滲透率下暫態(tài)電壓穩(wěn)定因子

3.3 考慮電氣距離的暫態(tài)電壓安全

考慮常規(guī)滲透率下故障點距離風機接入點的電氣距離對暫態(tài)安全裕度的影響，公共連接點(point of common coupling，PCC)選取節(jié)點39，故障發(fā)生地點分別為節(jié)點8，節(jié)點24，節(jié)點29。從表3中可以看出，節(jié)點8，節(jié)點24，節(jié)點29 距離風機并網節(jié)點39 的電氣距離呈遞增趨勢，其標幺值分別為0.002 5，0.014 6，0.082 9。

表3 故障點距離風機接入點的電氣距離

從仿真系統(tǒng)中不同電氣距離下暫態(tài)電壓變化可知，隨著故障發(fā)生地點距離DFIG 風電機組并網點電氣距離的增加，DFIG 風電機組并網點電壓在暫態(tài)過程中有被抬高的趨勢。從系統(tǒng)中無功功率平衡的角度出發(fā)，暫態(tài)過程中風電機組能夠提供的暫態(tài)無功功率能夠有效彌補系統(tǒng)的短時無功缺額，有效提高暫態(tài)電壓安全裕度。

4 結論

采用穩(wěn)態(tài)電路模型，根據暫態(tài)過程中風電機組的恒電壓控制策略，推導雙饋風機接入新英格蘭 39 節(jié)點系統(tǒng)的暫態(tài)電壓安全裕度機理。

(1) 在分析雙饋風機接入系統(tǒng)對電網暫態(tài)電壓安全裕度影響時，應當滿足條件：雙饋風機采用恒電壓控制方式；雙饋風機具有良好的低電壓穿越特性，可認為在故障期間和故障清除后將雙饋風機作為系統(tǒng)無功功率源。

(2) 雙饋風機接入雙機系統(tǒng)后，電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全裕度的水平與故障點距離風機接入點的電氣距離、風電滲透率等因素有關，在一定條件下可以根據判斷規(guī)則，討論風電接入對系統(tǒng)暫態(tài)電壓安全裕度的影響，對電網規(guī)劃、風電機組并網運行、電網調度控制具有一定的指導作用。