李 偉，管 健

（吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

永磁式直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

李 偉，管 健

（吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

研究了采用直驅(qū)風(fēng)機(jī)的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。從理論上分析了直驅(qū)風(fēng)機(jī)的變流器對(duì)風(fēng)機(jī)特性影響的機(jī)理；基于直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了故障后以故障臨界切除時(shí)間表征的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性；通過(guò)仿真計(jì)算，揭示了直驅(qū)風(fēng)機(jī)和同步機(jī)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。得出結(jié)論為直驅(qū)機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的接入可能增強(qiáng)也可能削弱所接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要取決于輸出功率，但影響程度比同步機(jī)小。

風(fēng)電場(chǎng)；直驅(qū)風(fēng)機(jī)；暫態(tài)穩(wěn)定性；臨界切除時(shí)間

隨著建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大力推進(jìn)，我國(guó)以風(fēng)能、光能和核能為代表的新能源的開(kāi)發(fā)利用逐漸加速。其中風(fēng)能因開(kāi)發(fā)相對(duì)較早，技術(shù)較為成熟而成為新能源開(kāi)發(fā)利用的主要形式。由于適宜開(kāi)發(fā)風(fēng)能的地區(qū)主要集中在我國(guó)東北、西北等電網(wǎng)較為薄弱的地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)所在地電網(wǎng)消納能力有限，近年來(lái)通過(guò)建設(shè)大規(guī)模風(fēng)電基地并通過(guò)500 kV電壓等級(jí)遠(yuǎn)距離外送成為類似地區(qū)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電主要的消納形式。而且隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)歷了從恒速定頻風(fēng)電系統(tǒng)到變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的過(guò)程，典型的代表是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。最近一段時(shí)期，屬于變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（Direct-driven Wind Turbine With Permanent Magnet Synchronous Generators，DPMSG）因單機(jī)容量大、故障率低、噪音低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多被采用。在此基礎(chǔ)上直驅(qū)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性機(jī)控制策略成為熱點(diǎn)問(wèn)題［1-8］，但機(jī)理型的研究較少。

本文首先建立完整的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的特性進(jìn)行了機(jī)理分析，然后利用PSD-BPA仿真軟件平臺(tái)對(duì)某實(shí)際大型風(fēng)電基地送出系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)與同步發(fā)電機(jī)的對(duì)比，研究了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模型

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、換流器及其控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.1 風(fēng)速模型

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要可選3種風(fēng)速中的任意幾種進(jìn)行組合來(lái)考慮風(fēng)速的影響。

1.2 風(fēng)力機(jī)輸出特性模型

風(fēng)力機(jī)葉片從來(lái)風(fēng)中捕獲的風(fēng)能Pw：

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉片半徑；Vw為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是槳距角β和葉尖速率比λ（λ＝ωmR／Vw，ωm為風(fēng)力機(jī)角速度） 的函數(shù)，即： Cp＝f（β， λ） 。

風(fēng)電機(jī)組有功功率取決于風(fēng)速的大小，不同結(jié)構(gòu)及原理的風(fēng)機(jī)有功功率不同。以變槳距風(fēng)電機(jī)為例，穩(wěn)態(tài)情況下，風(fēng)速和輸出功率之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)功率特性曲線

1.3 軸系模型

直驅(qū)風(fēng)機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸剛性連接，可以采用集中質(zhì)量塊模型：

式中：Tj為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；Tw為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Dm為機(jī)組轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)；ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。

1.4 發(fā)電機(jī)模型

除以永磁體取代勵(lì)磁繞組，永磁發(fā)電機(jī)與一般的同步發(fā)電機(jī)相似，其在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓方程為

式中：uds，uqs，ids，iqs分別為發(fā)電機(jī)定子直軸交軸的電壓電流；Ld，Lq分別為定子的直軸交軸電感；

1.5 換流器模型

換流器將發(fā)電機(jī)輸出的頻率和電壓變化的電能轉(zhuǎn)換成為頻率和電壓可控的電能并饋入電網(wǎng)，主要由發(fā)電機(jī)側(cè)換流器、平波電感、電網(wǎng)側(cè)換流器和直流環(huán)節(jié)構(gòu)成，忽略兩側(cè)平波電感影響，全功率換流器等效電路如圖3所示。r為定子電阻；ω＝npωr是定子電角速度；np是發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；Ψ是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子磁鏈，為定值。

電磁轉(zhuǎn)矩：

發(fā)電機(jī)輸出電磁功率：

圖3 換流器等值電路

電機(jī)側(cè)換流器采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率由式 （6）轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

由式 （7）可見(jiàn)，通過(guò)iqs控制發(fā)電機(jī)有功功率Ps，通過(guò)ids控制無(wú)功功率Qs，實(shí)現(xiàn)了功率控制的解耦。

網(wǎng)側(cè)換流器采用電壓定向矢量控制技術(shù)，由于電壓矢量定向在d軸，此時(shí)uqg＝0，變流器在d-q坐標(biāo)系下電壓：

式中：rg，Lg為網(wǎng)側(cè)換流器進(jìn)線電抗器的電阻和電感；ud，uq為網(wǎng)側(cè)換流器控制電壓的直軸交軸分量；udg，uqg，idg，iqg為電網(wǎng)電壓和電流的直軸交軸分量；ωg為電網(wǎng)的同步角速度。

電網(wǎng)側(cè)輸出功率：

由式 （9）可見(jiàn)，通過(guò)idg控制并網(wǎng)的有功功率Pg，通過(guò)iqg控制無(wú)功功率Qg，通過(guò)調(diào)節(jié)電流矢量的軸分量對(duì)功率進(jìn)行解耦控制，可單位功率因數(shù)運(yùn)行。

不考慮換流器損耗功率，直流環(huán)節(jié)的電容動(dòng)態(tài)過(guò)程為

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)之一就是維持電容電壓處于恒定狀態(tài)。

2 機(jī)理分析

直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)采用永磁體對(duì)同步電機(jī)勵(lì)磁，低轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機(jī)可以與多極對(duì)數(shù)的發(fā)電機(jī)直接連接，省卻了變速環(huán)節(jié)。同步機(jī)輸出功率全部通過(guò)換流器并轉(zhuǎn)換為以電網(wǎng)可接受參數(shù)表征的電功率進(jìn)入電網(wǎng)。

2.1 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)側(cè)換流器根據(jù)隨機(jī)變化的風(fēng)能情況實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率的追蹤或保持恒功率運(yùn)行狀態(tài)，控制手段是改變發(fā)電機(jī)的電流。電流變化后電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變，在風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的共同作用下改變了軸系的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的控制調(diào)節(jié)。電網(wǎng)側(cè)換流器控制目標(biāo)是追蹤發(fā)電機(jī)輸入到換流器的有功功率，使其輸出到電網(wǎng)的有功功率與前者一致，控制手段是保持換流器直流環(huán)節(jié)中電容的電壓保持穩(wěn)定。由于采用了解耦控制，換流器能獨(dú)立對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行控制調(diào)整，可以得到需要的功率因數(shù)。

2.2 故障運(yùn)行

當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器檢測(cè)到網(wǎng)端電壓降低，主要控制目標(biāo)由有功功率變?yōu)闊o(wú)功功率，可以迅速降低饋入電網(wǎng)的有功功率，提高饋入電網(wǎng)的無(wú)功功率，起到了維持電網(wǎng)電壓的作用。在此過(guò)程中發(fā)電機(jī)輸入變流器的有功功率不能完全饋入電網(wǎng)導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)電壓升高，為保護(hù)電容通過(guò)電阻消耗多余的能量使直流電壓保持穩(wěn)定。多余能量的消耗減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入到變流器功率及其軸系轉(zhuǎn)速的變化，提高了機(jī)組自身的穩(wěn)定性。

由以上分析，換流器不僅是功率通道，更重要的是其對(duì)功率轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制。通過(guò)其對(duì)正常運(yùn)行和故障狀態(tài)有功功率和無(wú)功功率的控制，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái)，減少了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的沖擊，提高機(jī)組自身的穩(wěn)定性；同時(shí)通過(guò)增加無(wú)功功率的輸出提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。該能力等效為低電壓穿越能力［6］，但低電壓穿越能力越大對(duì)變流器相關(guān)設(shè)備的參數(shù)要求越高。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)

本文采用的仿真工具為電力系統(tǒng)分析軟件PSD -BPA4.0。算例系統(tǒng)為一個(gè)大規(guī)模風(fēng)電基地送出系統(tǒng)，如圖4所示。風(fēng)電場(chǎng)A和B經(jīng)過(guò)220 kV線路送入500 kV變電站?；痣姀S電力通過(guò)500 kV直接送出。節(jié)點(diǎn)1和2與主系統(tǒng)3距離較遠(yuǎn)。風(fēng)電廠采用前文所述直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)等值機(jī)模型?；痣姀S同步機(jī)組包含原動(dòng)機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁部分，發(fā)電機(jī)采用6階模型。

圖4 算例電網(wǎng)示意

3.2 穩(wěn)定性算例分析

采用故障極限切除時(shí)間 （CCT）表征電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。即極限清除時(shí)間越長(zhǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性越強(qiáng)。故障取線路同塔異名相短路接地，發(fā)生時(shí)刻為1 s。

考慮通過(guò)4個(gè)算例對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。算例1：節(jié)點(diǎn)2無(wú)電源接入，計(jì)算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時(shí)的極限切除時(shí)間。算例2：節(jié)點(diǎn)2接入2座直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)在不同出力下計(jì)算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時(shí)的極限切除時(shí)間。算例3：節(jié)點(diǎn)2接入1座直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)和1座同容量火電廠在不同出力下計(jì)算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時(shí)的極限切除時(shí)間。算例4：節(jié)點(diǎn)2接入2座同容量火電廠在不同出力下計(jì)算1-3和2-3線路同塔異名相短路故障時(shí)的極限切除時(shí)間。

各個(gè)算例結(jié)果分別如表1-表4所示。算例1故障1極限切除時(shí)間0.185 s，故障2極限切除時(shí)間0.152 s，由于500 kV電壓等級(jí)送電線路輸送容量大，極限切除時(shí)間較短。經(jīng)過(guò)分析各表數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，在出力逐漸增加時(shí)，直驅(qū)風(fēng)機(jī)和同步機(jī)都可以提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)出力增加到一定程度反而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；不同的是直驅(qū)風(fēng)機(jī)提高的程度比同步機(jī)大，降低的程度比同步機(jī)小，表明直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組具有比同步機(jī)組更好的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能。

表1 算例1對(duì)應(yīng)的CCT結(jié)果

表2 算例2對(duì)應(yīng)的CCT結(jié)果

表3 算例3對(duì)應(yīng)的CCT結(jié)果

表4 算例4對(duì)應(yīng)的CCT結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了采用永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的大型風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，通過(guò)理論分析和對(duì)某一實(shí)際系統(tǒng)的仿真計(jì)算，得到以下結(jié)論。

a.直驅(qū)型風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變流器接入系統(tǒng)，在變流器的控制作用下將發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)隔離，減少了電網(wǎng)故障對(duì)機(jī)組的沖擊，在故障狀態(tài)下還可以向系統(tǒng)補(bǔ)充無(wú)功功率以提高電壓，不僅有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，而且通過(guò)內(nèi)部電阻消耗過(guò)剩能量提高風(fēng)電機(jī)組自身的穩(wěn)定性能，從理論上優(yōu)于一般的同步發(fā)電機(jī)組。

b. 直驅(qū)機(jī)組對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響與其出力關(guān)系較大，隨著出力的增加，其對(duì)穩(wěn)定性有利的程度減弱，甚至降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。但與同步機(jī)相比，增加程度比降低程度弱。

c. 下一步研究重點(diǎn)是雙饋風(fēng)機(jī)與直驅(qū)風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性及大規(guī)模接入對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的區(qū)別，為新建風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的選型提供理論和技術(shù)支持。

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Effect on Transient Stability of Power System for DPMSG Wind Farm

LI Wei，GUAN Jian
（Jilin Electric Power Survery＆Design Institute，Changchun，Jilin 130022，China）

The impact of large scale wind farm using the models of DPMSG （direct?driven wind turbine with permanent magnet syn?chronous generators）on power system transient stability is studied in this paper.In theory，the transient stability mechanism of DPMSG is analyzed.Based on mathematical model of wind farms，transient stability charactered CCT（critical clearing time）is simulated when grid default is occurred.Through simulation，the impact of wind farms and generators on grid transient stability is revealed，the theoret?ical analysis is verified.There is conclusions that whether transient stability is weaken or strengthened by DPMSG depends on its output power，the impact level of DPMSG is lower than generator.

Wind farm；DPMSG；Transient stability；CCT

TM614；TM712

A

1004-7913（2015）11-0027-04

李 偉 （1974—），男，博士，工程師，現(xiàn)從事電網(wǎng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。

2015-08-10）