附加阻尼控制SVC在雙饋型風電場中的應用研究*

張明光，劉淼淼

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050)

風電場裝機容量的增加使其對接入系統的影響越來越大，更多的并網標準要求風電場具有電壓控制、無功調節、有功頻率控制等火電機組具有的控制功能[1-2]?；陔p饋電機的變速恒頻風電機組在風力發電系統中得到了廣泛應用，其主要優點是可以在變速恒頻運行的同時實現最大的風能捕獲，減小變流器容量，實現有功、無功功率的靈活控制。隨著風力發電系統在電網中所占比重的增大，接入電網電壓等級的提高，大量風電的接入改變了系統原有的潮流分布、線路傳輸功率以及整個系統的慣量，因此接入后系統運行的狀態會發生變化[3-5]。

風電機組接入后對電力系統的影響以及相關的穩定性問題已有了相關的分析和研究。參考文獻[6]在MATLAB/Simulink仿真環境下建立基于風電機組的單機無窮大系統，分析了故障后風電系統的穩定性問題，得出了采用的輸電線路越長，基于異步電機的風電系統穩定性就會越差的結論；參考文獻[7]對挪威電網風電接入后的系統阻尼的分析結果表明，風電場接入容量較小時不會對系統阻尼產生影響，當風電場接入容量較大時，基于普通異步發電機的風電機組能夠增強系統阻尼，對故障后的系統穩定性有利；參考文獻[8]通過建模分析，得出通過控制風電機組的槳距角可以達到抑制區域間功率振蕩的目的；參考文獻[9]通過將雙饋電機轉差信號引入轉子側變流器，建立了適用于雙饋異步電機勵磁附加控制的PSS模型，通過仿真分析驗證了所采取的方法能夠改善風電場的系統阻尼。

本文在MATLAB/Simulink仿真環境下建立變速恒頻雙饋風電機組模型、水輪發電機組模型以及附加阻尼控制SVC模型，對所建系統進行時域仿真，分析了兆瓦級雙饋型風電場接入后的系統功率、系統機電暫態過程以及附加阻尼控制SVC在提高系統遠距離輸電線路輸電能力、阻尼線路功率振蕩、增強系統暫態穩定性方面的效果。結果表明，兆瓦級雙饋型風電場接入系統后會降低系統阻尼，導致系統出現振蕩，采用附加阻尼控制SVC能夠有效抑制風電接入系統后的功率振蕩，增強系統的暫態穩定性。

1 雙饋風電機組模型

為了能夠準確進行風電接入系統后的電力系統暫態穩定性分析，需要建立適用于電力系統機電暫態分析的風電機組動態模型，使其能夠充分反映在電網大擾動下的相應動態特性。

1.1 風電機組軸系模型

為正確反映雙饋風電機組在電網大擾動下的響應特性，采用兩質塊的軸系模型，一個質塊表示風力機慣量，另一個質塊表示發電機慣量。風力機與發電機通過齒輪箱連接。兩質塊模型表示為[10]：

其中，HM、HG分別為風力機慣性常數和發電機慣性常數；DM、DG和DS分別為風力機、發電機和軸的阻尼系數，TM為風力機的機械轉矩，TG是作用在發電機轉子軸上的機械轉矩。

其中，KS為軸的剛度系數，PM為風輪的機械功率。

1.2 DFIG數學模型

雙饋電機的轉子運動方程包含在軸系方程中。

2 水輪發電機組模型

2.1 水輪機模型[11]

水輪機模型如式(4)所示。其中，μ為水輪機導水葉開度；Pm為水輪機輸出機械功率；Tw為水流時間常數，一般取 0.5 s～4 s。

2.2 水輪機調速器模型

在忽略死區和限幅作用后，對于水輪機調速系統建立以 ΔPm、Δμ 和 Δx2為狀態變量的狀態方程：

其中，Kδ為水輪機調速器測速環節的放大倍數；TS為水輪機調速器中接力器時間常數；KmH為標幺值轉換系數；Ki為調速器硬反饋放大倍數；Kβ為調速器軟反饋放大倍數；Ti為軟反饋時間常數。

2.3 水輪機勵磁系統模型

對于水輪機的勵磁系統，可以得到以 ΔUA、ΔEf和ΔUF為狀態變量的勵磁系統狀態方程：

其中，ΔUt為勵磁系統電壓測量環節輸出電壓；ΔUA為勵磁系統電壓調節器的輸出；ΔUF為勵磁系統負反饋環節(勵磁系統穩定器)的輸出；ΔEf為勵磁系統輸出電壓。

2.4 附加阻尼控制SVC模型

如圖1所示，附加阻尼控制一般由放大環節、復位環節、相位補償（校正）環節、限幅環節組成，其輸出作為SVC電壓調節器的附加控制信號。復位環節是一個高通濾波器，作用是使阻尼控制環節在t→∞(p→0)時的輸出為零，屏蔽阻尼控制環節的穩態輸入；相位補償環節用來提供必要的超前-滯后特性以補償阻尼控制環節輸入(ΔP)與SVC接入點母線電壓的相位滯后。本文中采用2個一階環節，在實際中也可以用更多的一階環節或二階環節，以達到理想的相位補償效果；限幅環節主要限制阻尼控制環節產生附加控制電壓的調節幅度，避免超調。本文選取umax=0.15(umin=-0.15)，即限幅環節將阻尼控制環節輸出調節量的幅值范圍限制為±0.15 p.u.。

其中，Uref為參考電壓、Umeas為節點測量電壓、Ucr為輔助阻尼控制輸入信號、BSVC為SVC電納參考值，這里通過加入附加控制信號改變固定的電壓參考值以控制端電壓的變化，Uref和Ucr相加作為控制器的有效參考值，進而使得SVC的輸出電流圍繞工作點波動，使接入點端電壓按照期望的方式變化，達到增加系統阻尼的目的[12]。

3 風電場及系統模型

風電場接入系統的方式如圖2所示，仿真系統以某區域電網為依據進行等值處理，G1、G2為系統等值機，系統G1額定容量1 000 MVA，系統G2額定容量5 000 MVA。

系統G1、G2為具有原動機、勵磁系統控制功能的水輪發電機組，同步發電機采用六階模型。等值負荷LD1和LD2為恒阻抗負荷，母線B2處采用靜止無功補償器(SVC)以滿足風電場接入后和故障期間系統電壓的要求。風電場裝機容量為150 MW，采用100臺單機容量為1.5 MW的雙饋風電機組進行系統等值，機組采用恒端電壓控制方式。

時域仿真分析中，將風電場接入系統后，分析對比使用普通SVC和阻尼附加控制SVC兩種情況下的功率的變化和系統G1、G2發電機的轉子動態過程。然后通過設置短路故障，故障位置考慮設在母線B1和B2之間輸電線靠近母線B1的一端，故障在0.02 s時刻發生，經過4個工頻周期后在0.1 s時刻消失，考慮系統機組在使用附加阻尼控制SVC情況下的動態過程，分析其對風電場接入后系統暫態穩定性的影響。

4 仿真分析

4.1 風電機組接入前后的時域仿真

對比分析風電場接入系統后，使用普通SVC和附加阻尼控制SVC兩種情況下，系統發電機G1有功功率、系統發電機G1、G2轉子相角差、G1轉子角速度的變化。

4.1.1 風電場接入后，使用普通SVC

由圖3、圖4可以看出在系統配置普通SVC情況下，發電機G1有功功率出現振蕩，并且振蕩的幅值逐步增大，G1、G2轉子相角差也出現在 43°～48°之間接近于等幅的振蕩，發電機G1轉子角速度振蕩增加，說明風電場的接入激起了系統振蕩。

4.1.2 風電場接入后，使用附加阻尼控制SVC

由圖5、圖6可知在采用附加阻尼控制SVC代替普通SVC后，G1有功功率和G1、G2轉子相角差能夠基本保持不變，系統振蕩得到有效的阻尼和抑制作用，穩定性得到加強。

4.2 系統發生故障時的時域仿真

以系統中發生后果最為嚴重的三相短路接地故障為例，分析 G1有功功率和 G1、G2轉子相角差在采用附加阻尼控制SVC情況下的動態響應，其中設置故障時間在0.02 s時刻發生，經歷4個周波后在0.1 s時刻消失。

通過設置三相短路接地故障，分析附加阻尼控制SVC對含風電系統動態過程的影響。由圖7、圖8可以看出采用阻尼附加控制SVC能夠在系統發生故障后很快地使轉子相角差和有功功率趨于恒定，改善了系統阻尼，增強了系統的暫態穩定性。

實驗結果證明，即便在恒定風速情況下(風電場本身無擾動)，基于雙饋感應電機的風電場接入系統以后，會對系統的穩定性產生影響，如果采用普通SVC，經過一段時間的振蕩后系統仍會失去穩定，甚至崩潰。以功率偏移作為輸入量的帶有阻尼附加控制功能的SVC兼有抑制系統振蕩和提供系統電壓支持的雙重作用，能夠增強風電接入后系統的穩定性。

[1]JAUCH C,SORENSEN P,BAK-JENSEN B.International review of connection requirements for wind turbine[C].Proceedings of Nordic Wind Power Conference,March 1-2,2004,Gothenburg,Sweden.

[2]BOLIKS M.Grid requirements challenges for wind turbines[C].Proceedings of 4th International Workshop on Largescale Integration of Wind Power Transmission Networks for Offshore Wind Farms,October 20-21,2003,Billund,Denmark.

[3]SHI L,XU Z,HAO J,et al.Modelling analysis of transient stability simulation with high penetration of grid-connected wind farms of DFIG type[J].Wind Energy,2007,10(4):303-320.

[4]EKANAYAKE J B,HOLDSWORTH L,WU X G,et al.Dynamic modeling of doubly-fed induction generator wind turbines[J].IEEE Trans on Power Systems,2003,18(2):803-809.

[5]石立寶,戴世強,徐政.大規模雙饋型風電場并網的系統暫態穩定仿真[J].電力系統及其自動化學報,2009,21(8)：1-7.

[6]SENJYU T,SUEYOSHI N.Stability analysis of wind power generating system[C].Proceedings of The Power Conversion Conference,Apr2-5,2002,Osaka,Japan.2002:1441-1446.

[7]HAGSTROM E,NORHEIM I,UHLEN K.Large scale wind power integration in Norway and effect on damping in the Nordic grid[C].Proceedings of Nordic Wind Power Conference,March1-2,2004,Gothenburg,Swed-en.

[8]JAUCH C.Stability and control of wind farms in power systems[D].Roskilde,Denmark:Ris National Laboratory,Technical University of Denmark,2006.

[9]關宏亮,遲永寧,戴慧珠,等.并網風電場改善系統阻尼的仿真[J].電力系統自動化,2008,32(13):81-85.

[10]遲永寧,王偉勝,劉燕華,等.大型風電場對電力系統暫態穩定性的影響[J].電力系統自動化,2006,30(15):10-14.

[11]倪以信,陳壽孫,張寶霖.動態電力系統的理論和分析[M].北京:清華大學出版社,2002.

[12]謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2006.