分布式發電中大型風電場并網對靜態電壓穩定性影響研究

田益名 魏立明* 郭思成

(1：吉林建筑大學 電氣與計算機學院，長春 130118； 2：北京師范大學附屬實驗中學，北京 100032)

1 風電場并網穩定性研究現狀分析

異步發電機在系統的應急過程中消耗無功功率和行為類似于異步電動機，從而降低了局部電網電壓穩定[1-3].目前變速風力機結合配備了雙饋式感應發電機(DFIG)的組合因為其先進的無功電壓控制能力，被應用地越來越廣泛.雙饋式感應發電機利用電力電子變換器能夠調節自己的無功功率在一個給定的功率因數或控制電網電壓情況下.然而，由于PWM(脈沖寬度調制)轉換變換能力有限，雙饋發電機的電壓控制能力不能跟上同步發電機.當雙饋發電機的電壓控制要求超出能力時，電壓穩定性在電網中也受到影響.風能對振蕩阻尼的影響，可通過用定速或者變速產生電能來代替系統中同步發電機產生的電能解決.由于風力發電機的并網，電壓模式也會受到影響.不同的風電集成水平和替代電網的電壓穩定性限制、動態負荷建模和不同問題的故障分析也已被研究.并且負荷特性與電壓不穩定是密切相關.

大型風力發電網互聯的問題也被密切關注，同時有人也提出可能的解決方案：使用交流和直流傳輸技術或者柔性交流傳輸系統儲能裝置.研究大型雙饋風電場的電力系統暫態穩定性的影響，需建立完整的發電機模型，但在最常見的暫態仿真軟件中缺少此發電機模型.也說明當某一個同步發電機由雙饋型風力發電機當所取代，電力系統暫態穩定性可以提高到一定程度.當故障電流超過額定值，短路轉子的影響在本文中不考慮.然而，在大的干擾下，雙饋感應發電機(DFIG)的表現為增加轉子繞組的鼠籠型感應發電機.在系統中，人類目前需要適應越來越大的風能并且面臨著其對系統運行的影響，還有分散風電加入的挑戰.現在界內將短期的電壓穩定性研究作為一個主要關注的問題，先已有對輸電系統中發生短路故障時電力電網的響應進行評估研究.大型風力發電并網技術問題中長線路和風力發電設備中最重要的挑戰包括電壓控制、無功功率管理、動態功率波動的穩定性，和并網時的干擾行為.變速風力發電廠的解耦特性確保當安裝在相同的位置時其穩定性能可以超過傳統相同等級的同步發電機[4-5].

2 雙饋感應風力發電機數學模型

雙饋異步感應發電機的等效電路如圖1所示，在普通感應電機等效電路的轉子電路中加入電壓源后就成為了雙饋電機的等效電路.

在知道風速為何值的條件下，借助風速與功率之間的關系式，可以求出由風機產生的總電能.若不計及極小的損耗，它就是傳輸進入電力系統的總值，即總的有功功率Pe.也可將Pe拆分成兩個物理量，即Ps和Pr，其中Ps是由風機定子側產生的有功功率；Pr為風力機轉子側產生的有功功率，但Pr可正可負，這取決于轉子轉速與同步轉速之間的差值.若差值為正，即轉速大于同步轉速，則Pr為正，代表轉子側發出有功；反之亦然.此類發電機的無功功率也擁有與有功功率相似的產生方式，也分為定子側和轉子側.此類發電機的運行方式不只一種，既可以選擇讓其保持電壓為固定值的恒電壓運行，也可維持其定子側的功率因數不變而運行在恒功率因數模式[6].

圖1 雙饋機的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of doubly fed machine

圖2 轉子轉速控制規律Fig.2 Rotor speed control law

因為與電抗相比，電阻實在是太小，以至于忽略電阻不會對計算結果產生很大的不利影響[7]，計算轉子繞組發出的有功功率的表達式為：

(1)

將Pr公式代入，則風電機組對系統做的有功功率為：

(2)

其中，求取滑差s的前提是需要先求解出風機轉子的旋轉速度.分段函數對應的圖形如圖2所示.若發電機的同步轉速為ω1，轉子本身的旋轉速度為ω，則s=(ω1-ω)/ω1[7].

(3)

當定子側的功率因數恒定[3-4]，設功率因數為cosφ，則Qs=Pstanφ.又因為變流器基本上不參與功率交換，所以就將風機的無功近似為定子繞組的無功，即:

Qe=Qs=Pstanφ

(4)

由式(2)和(4)可以得到：

(5)

由(4)和(5)可以解得：

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

但因定子側無功功率受到定子繞組、轉子繞組和變流器最大電流限制，故需要考慮各種限制條件[8].當風電機組運行在恒功率因數的模式下，無功功率就僅僅是機端電壓的函數了，與其他物理量無關.如果要將風電場看作為PV節點，也就是機組進入恒電壓運行模式，雖然成為PV節點會使計算便捷一些，但此時會受到很多條件的約束，也帶來一定困難.

3 潮流計算中雙饋風力發電機模型

3.1 當雙饋風電機處于恒功率因數方式運行

受轉子變流器最大電流限制而形成的運行范圍為：

(10)

其中，Irmax為轉子變流器最大電流限制值.

計算流程如下:

(1) 設定風速，設定恒定運行電V.

(2) 根據風速功率曲線計算得到雙饋風力發電機的有功功率Pe.

(3) 將Pe，V以PV節點代入系統潮流計算中，得到風電場母線注入無功功率Qe.

(4) 根據式(2)計算Ps.

(5) 將Ps，Qe，V代入式(10)檢查是否越限.

3.2 當雙饋風電機處于恒電壓方式運行

計算流程如下:

(1) 設定風速，設定風電場電壓初值為V.

(2) 根據風速功率曲線算出雙饋風力發電機的有功功率Pe.

(3) 根據風電機組的轉速控制規律式(2)～式(7)，計算滑差s.

(4) 根據式(2)～式(10)計算出雙饋風力發電機的無功功率Qe.

(5) 算出Pe，Qe后，將該風電場作為PQ節點代入系統潮流計算中，得到風電場母線電壓V′.

(6) 比較V和V′，若V′≠V，則令V=0.5(V+V′)，返回步驟(4)繼續執行步驟(4)到(5).直到兩次所得電壓之差在規定誤差范圍之內，即|V′-V|<ε，ε=1×10-5.

這種模型雖然較為精確，但也是分兩步迭代，迭代次數多，計算量大，使得計算速度較慢.

4 仿真分析

本文采用的是IEEE14節點系統，首先進行有風電場并網的牛頓拉夫遜潮流計算，各節點電壓圖，相角圖，有功功率圖以及無功功率圖.然后進行連續潮流法仿真，得到功率變化最大值以及各個節點PV圖，找出電壓最薄弱的負荷點并增加無功補償裝置，重新進行潮流計算，分析結果[14].利用PSAT進行編程計算仿真，通過式(10)等得出系統參數如下.風電場接入系統線路參數為12.6+j24.96 .忽略尾流效應，既有每臺風電機組的切入、切出、額定風速均相同，額定電壓為690.

運行連續潮流法，可得到各個節點相角圖和PV圖.以13節點PV圖為例，見圖3.

圖3 母線13未加無功補償PV圖，13節點補償后PV曲線Fig.3 Bus 13 without reactive compensation ，PV curve after node compensation

其中，13節點也恰好是節點電壓較低的節點，因此考慮在13節點處增加無功補償裝置，提高穩定裕度.本文為13節點增加無功補償裝置SVC為例.再次運行連續潮流法，得到此時13節點PV圖[15].

5 結論

本文針對大型風電場并網對靜態電壓穩定性影響進行分析和研究，使用連續潮流法后，可繪制PV圖，從PV圖中可知仍能保持節點電壓穩定的負荷功率最大值，并比較各節點PV圖，可知整個系統中的薄弱環節.從PV圖中可直觀看到，通過給薄弱節點增設無功補償裝置SVC，可使系統穩定裕度得到提高，可得知無功功率會大大影響節點電壓.

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