王紅亮（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司邵陽(yáng)供電分公司，湖南邵陽(yáng)422000）

基于PSS/E自定義模型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

王紅亮（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司邵陽(yáng)供電分公司，湖南邵陽(yáng)422000）

自然界中風(fēng)速變化的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，使得風(fēng)力發(fā)電輸出的功率具有不確定性，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了研究風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)速的相關(guān)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真是研究該問(wèn)題的重要手段。本文利用電力系統(tǒng)仿真軟件Power System Simulator for Engineering（PSS/E）的自定義功能建立風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)元件的自定義模型（如風(fēng)速、空氣動(dòng)力模型等），并將自定義模型用于基于雙饋異步發(fā)電機(jī)（Double Fed Induction Generator，DFIG）的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，研究風(fēng)速變化時(shí)的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性及網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。本文的開(kāi)展對(duì)于掌握DFIG對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響及基于DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的通用數(shù)學(xué)模型研究具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

風(fēng)力發(fā)電；PSS/E；風(fēng)速；DFIG

1　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要組成部分是風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)，工作原理是當(dāng)風(fēng)速足夠大時(shí)將吹動(dòng)風(fēng)輪，風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，然后交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娊o蓄電池充電，蓄電池可以直接供直流負(fù)載使用，如果是交流負(fù)載，則需要再加一個(gè)逆變器把直流電變成交流電使用。

1.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文研究的是基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成有兩部分：①繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)；②交流勵(lì)磁變頻器。

1.2機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

經(jīng)典的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸系模型可等效為2個(gè)或3個(gè)質(zhì)量塊，機(jī)械傳動(dòng)軸的2質(zhì)塊模型有利于系統(tǒng)的解耦控制，因此本文采用2質(zhì)塊的機(jī)械傳動(dòng)模型其模型如圖1所示。

圖1　質(zhì)塊模型圖

傳動(dòng)軸的2質(zhì)塊模型包含2個(gè)部分，其中第1個(gè)質(zhì)塊表示旋轉(zhuǎn)的葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，第2個(gè)質(zhì)塊表示發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量。與第1個(gè)質(zhì)塊相關(guān)的運(yùn)動(dòng)方程是：

式中，Ht表示葉輪與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tw表示氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tm表示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩，ωm表示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。與第2個(gè)質(zhì)塊相關(guān)的運(yùn)動(dòng)方程是：

式中，Hg表示轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωg表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Tm表示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩，Te表示電磁轉(zhuǎn)矩，D表示阻尼系數(shù)。

1.3空氣動(dòng)力部分的數(shù)學(xué)模型

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)的空氣動(dòng)力學(xué)模型

空氣動(dòng)力學(xué)模型的作用是計(jì)算風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率?？諝鈩?dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型為Pmech=ρπR2VwCp（λ，β）/2。

1.3.2線性空氣動(dòng)力學(xué)模型

線性空氣動(dòng)力學(xué)模型的使用范圍較小，只適用于網(wǎng)側(cè)發(fā)生擾動(dòng)后風(fēng)速保持一定時(shí)間不變的情況。

1.4風(fēng)速模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能來(lái)源屬于自然風(fēng)，而風(fēng)速具有隨機(jī)性，波動(dòng)性和間歇性，很難保證恒定風(fēng)速，只要有風(fēng)速的存在風(fēng)電系統(tǒng)就承受著或大或小的擾動(dòng)，這種擾動(dòng)直接對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)影響。風(fēng)能作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力，對(duì)風(fēng)速建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀糜谘芯扛鞣N情況下系統(tǒng)的性能是十分有必要的。一般可將風(fēng)速模型分為四類，它們分別是基本風(fēng)、陣風(fēng)、斜坡風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。

（1）基本風(fēng)即額定風(fēng)速，反映了平均風(fēng)速，并決定了風(fēng)力機(jī)輸出功率的大小，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，可由初始化計(jì)算出基本風(fēng)速V0。

（2）陣風(fēng)是指突然變化的風(fēng)速，這種風(fēng)速對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)較大的擾動(dòng)，因此對(duì)于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究也很有意義。

（3）斜坡風(fēng)是對(duì)具有漸變特性的風(fēng)速的描述。

（4）隨機(jī)風(fēng)是指風(fēng)速的變化不符合任何變化規(guī)律，它描述了風(fēng)速的隨機(jī)性。

1.5槳距角控制部分的數(shù)學(xué)模型

槳距角的作用：風(fēng)速過(guò)大時(shí)，槳距角發(fā)揮作用以保持發(fā)電機(jī)輸出額定功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)小，槳距角將不起作用，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)槳距角的控制作用來(lái)抑制其轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加，從而保持系統(tǒng)輸出功率為額定功率。本文介紹PI控制的槳距角模型。

2　頻率控制模型

風(fēng)機(jī)中還有一些其它的模塊如頻率控制模塊，當(dāng)電力系統(tǒng)收到干擾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率短暫衰減，而頻率下降的速度及回復(fù)常態(tài)的時(shí)間都受到電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響。在風(fēng)電系統(tǒng)中，電機(jī)將存儲(chǔ)的慣性能量輸送給電網(wǎng)來(lái)降低頻率下降的速率，且允許調(diào)速器動(dòng)作，以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率（見(jiàn)圖2）。

圖2　槳距角控制模型

3　含有風(fēng)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性

3.1引言

隨著越來(lái)越多的風(fēng)電接入電網(wǎng)，人們對(duì)含有風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的研究也越來(lái)越重視，本章通過(guò)將風(fēng)速等相關(guān)自定義模型用于基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中，以4機(jī)2區(qū)為基礎(chǔ)，建立含有風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)，研究風(fēng)電場(chǎng)接入后對(duì)電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。

3.2風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響

本小節(jié)分為兩部分來(lái)研究風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響：①陣風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的影響；②斜坡風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的影響。在經(jīng)典4機(jī)2區(qū)系統(tǒng)中添加風(fēng)電場(chǎng)，在該系統(tǒng)中進(jìn)行算例仿真。

（1）陣風(fēng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

在對(duì)比中直觀的看到，風(fēng)機(jī)出力為10MW時(shí)，風(fēng)機(jī)在加入槳距角和不加槳距角時(shí)風(fēng)機(jī)的出力變化基本沒(méi)什么區(qū)別，而隨著風(fēng)機(jī)出力的增加，尤其是當(dāng)風(fēng)機(jī)出力達(dá)到100MW時(shí)，在沒(méi)有槳距角控制的作用下，風(fēng)機(jī)在經(jīng)歷風(fēng)速變化后，風(fēng)機(jī)有功功率回不到原來(lái)的狀態(tài)，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以風(fēng)機(jī)出力越大槳距角控制作用越明顯。

（2）斜坡風(fēng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

PSS/E仿真過(guò)程：斜坡風(fēng)起始時(shí)間為1s，持續(xù)5s，其最大風(fēng)速時(shí)比初始風(fēng)速大5m/s。通過(guò)對(duì)通道的選擇觀察了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的有功功率，無(wú)功功率，槳距角，G1、G2、G3、G4的有功功率變化。

通過(guò)對(duì)圖像的觀察可以得出如下結(jié)論：

（1）風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，在槳距角控制系統(tǒng)的作用下，通過(guò)增大槳距角來(lái)抑制輸出功率的增加，保持發(fā)電機(jī)輸出為額定功率。

（2）系統(tǒng)經(jīng)過(guò)風(fēng)速的變化后，G1、G2、G3、G4的有功功率基本都能恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。

3.2.1電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響

本小節(jié)同樣分為兩部分來(lái)研究風(fēng)電接入時(shí)，電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。①有風(fēng)速變化時(shí)電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響；②只有初始風(fēng)速電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系的影響。

（1）有風(fēng)速變化（斜坡風(fēng)）時(shí)電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。

（2）只有初始風(fēng)速時(shí)電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。

3.2.2在原系統(tǒng)中加入不同容量風(fēng)機(jī)研究其對(duì)電網(wǎng)的影響

本小節(jié)在原4機(jī)2區(qū)系統(tǒng)中接入不同容量的風(fēng)機(jī)，觀察在有陣風(fēng)風(fēng)速變化時(shí)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響。

（1）12號(hào)風(fēng)機(jī)出力為15W時(shí)，通過(guò)PSS/E仿真觀察任意普通發(fā)電機(jī)的有功變化（如G1）。

圖3　G1有功變化

（2）12號(hào)風(fēng)機(jī)出力為50W時(shí)，通過(guò)PSS/E仿真觀察任意普通發(fā)電機(jī)的有功變化（如G1）。

（3）12號(hào)風(fēng)機(jī)出力為100W時(shí)，通過(guò)PSS/E仿真觀察任意普通發(fā)電機(jī)的有功變化（如G1）。仿真結(jié)果如圖4所示。

結(jié)論：

通過(guò)對(duì)比三者仿真圖形，可知在原系統(tǒng)其它發(fā)電機(jī)保持輸出功率不變的情況下，加入不同容量的風(fēng)機(jī)后，在經(jīng)過(guò)風(fēng)速變化后，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行所需的時(shí)間基本一致，不同的是發(fā)電機(jī)有功變化的最大幅度，且由3.2.1仿真可知，風(fēng)機(jī)出力過(guò)小時(shí)，之所以G1有功變化不呈現(xiàn)波動(dòng)性，原因是風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不明顯，再來(lái)對(duì)比風(fēng)機(jī)出力為50MW和100MW，對(duì)比兩者仿真圖可知，在系統(tǒng)運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)出力的不同會(huì)影響到發(fā)電機(jī)有功變化的最大幅度。風(fēng)機(jī)出力為100MW的系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)歷風(fēng)速的變化后，經(jīng)過(guò)控制調(diào)節(jié)后在此過(guò)程中可觀察到發(fā)電機(jī)有功功率的變化波動(dòng)性較強(qiáng)，同樣也可以初步推測(cè)風(fēng)機(jī)出力越大，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制作用越明顯。

圖4　G1有功變化

圖5　G1有功變化

3.3多臺(tái)風(fēng)機(jī)接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

在實(shí)際的發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)接入電力系統(tǒng)的臺(tái)數(shù)往往是較多的，因此研究多臺(tái)風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響很有必要。本小節(jié)仍是在經(jīng)典4機(jī)2區(qū)系統(tǒng)中添加風(fēng)電場(chǎng)，在該系統(tǒng)中進(jìn)行算例仿真。

從仿真圖可知，過(guò)多的風(fēng)機(jī)接入，在有風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

3.4機(jī)電擾動(dòng)在鏈?zhǔn)较到y(tǒng)中的傳播

擾動(dòng)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在干擾著電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)會(huì)使得發(fā)電機(jī)的電磁功率和機(jī)械功率失去平衡，發(fā)電機(jī)則需要通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)使得電磁功率和機(jī)械功率保持平衡，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的變化影響母線電壓相角的變化，從而造成相鄰發(fā)電機(jī)的功率不平衡，進(jìn)一步影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)特性，擾動(dòng)便在電網(wǎng)中進(jìn)行傳播，使得電網(wǎng)中所有的發(fā)電機(jī)進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)。本章節(jié)可以讓人們方便的認(rèn)識(shí)機(jī)電擾動(dòng)在電力系統(tǒng)中傳播特性，揭示電力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)機(jī)理、分析風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)時(shí)機(jī)電擾動(dòng)的傳播特性很有意義。

3.4.1機(jī)電擾動(dòng)在不含風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的傳播

本小節(jié)采用含有10臺(tái)普通發(fā)電機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，通過(guò)觀測(cè)10條母線的頻率變化，來(lái)觀察機(jī)電擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)是否有影響。

此次仿真：①為了觀察機(jī)電擾動(dòng)在普通鏈?zhǔn)较到y(tǒng)中的傳播；②為了給下面含風(fēng)機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)作為對(duì)照組（見(jiàn)圖6）。

此處以負(fù)荷的變化模擬系統(tǒng)初始擾動(dòng)，在0s時(shí)刻先將母線1上的負(fù)荷增加50MW持續(xù)0.01s，在減小母線1到原有負(fù)荷水平及減少到0MW并讓系統(tǒng)運(yùn)行1s。通過(guò)觀察母線電壓頻率來(lái)判斷機(jī)電擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

圖6　機(jī)鏈?zhǔn)较到y(tǒng)

3.4.2機(jī)電擾動(dòng)在含風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的傳播

通過(guò)對(duì)比各個(gè)曲線第一次達(dá)到峰值時(shí)所需的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在無(wú)風(fēng)機(jī)鏈?zhǔn)较到y(tǒng)和有風(fēng)鏈?zhǔn)较到y(tǒng)中，二者所需的時(shí)間基本沒(méi)有太大差別 （實(shí)際觀察有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)第一次達(dá)到峰值的時(shí)間比無(wú)風(fēng)機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)第一次達(dá)到峰值的時(shí)間要快），觀察頻率峰值大小卻發(fā)現(xiàn)，5號(hào)母線之前，無(wú)風(fēng)機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)和有風(fēng)機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)中最大頻率幅值基本沒(méi)有太大變化，但5號(hào)母線之后，發(fā)現(xiàn)無(wú)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)其最大母線頻率幅值較有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的最大母線頻率幅值要大不少。

4　結(jié)論

本文通過(guò)將風(fēng)速等相關(guān)自定義模型用于基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)中，以經(jīng)典4機(jī)2區(qū)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立含有風(fēng)機(jī)的電力系統(tǒng)，研究風(fēng)電場(chǎng)接入后對(duì)電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析得出結(jié)論：風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，在槳距角控制系統(tǒng)的作用下，通過(guò)增大槳距角來(lái)抑制輸出功率的增加，保持發(fā)電機(jī)輸出功率為額定功率。含風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)在經(jīng)歷風(fēng)速變化后，系統(tǒng)基本都能快速的恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)：當(dāng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)在經(jīng)歷風(fēng)速的變化后，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)需要很長(zhǎng)的時(shí)間；當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)母線頻率呈現(xiàn)一個(gè)傳遞的過(guò)程，而母線頻率其實(shí)對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角，它會(huì)影響到系統(tǒng)中的電壓相角，顯然電壓相角會(huì)影響到有功功率的傳輸，總結(jié)為：電力系統(tǒng)中的機(jī)電擾動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。

TM315

A

2095-2066（2016）26-0055-03

2016-8-12

王紅亮（1979-），女，工程師，本科，主要從事電力營(yíng)銷工作。