PowerWorld環(huán)境下風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的分析

劉國(guó)祥，武小梅，周 俊，袁天清

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006)

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)及脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛而深入的研究[1-5]，分析了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的原因和提出了相應(yīng)的解決策略，但沒(méi)有詳細(xì)分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對(duì)此，本文結(jié)合PowerWorld Simulator可視化軟件對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性展開(kāi)了研究，并進(jìn)行了可視化分析。

1 基于DFIG的變速風(fēng)電機(jī)組模型

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組(doubly-fed induction generator，DFIG)為目前風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組如圖1所示。

圖1 雙饋異步發(fā)電機(jī)型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組

近幾年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，成為電網(wǎng)電源的重要組成部分。對(duì)于含有風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)，由于風(fēng)力的隨機(jī)性和間歇性會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，因此需要建立正確的數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

假定定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱且不考慮零軸分量，則兩相任意速ωs旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，DFIG的數(shù)學(xué)模型應(yīng)如下表示。

式中:ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的 d、q軸分量;isd、isq、ird、irq分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的 d、q 軸分量;Usd、Usq、Urd、Urq為定子、轉(zhuǎn)子電壓的 d、q 軸分量;Ls=Lss+Lm，Lr=Lrr+Lm，Lm=3Lsr/2，Lsr為定子、轉(zhuǎn)子互感幅值，Lss、Lrr分別為定、轉(zhuǎn)子每相漏感;ωs為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度;ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;TL為風(fēng)力機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;n為電機(jī)的極對(duì)數(shù);J為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

如果風(fēng)電場(chǎng)中每臺(tái)發(fā)電機(jī)都用全暫態(tài)模型表示，則產(chǎn)生的高階模型在用計(jì)算機(jī)分析時(shí)計(jì)算量非常大，不利于計(jì)算結(jié)果的分析。因此，在研究整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響時(shí)，不需要考慮每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的單獨(dú)影響。本文采用一臺(tái)DFIG模型來(lái)等值一個(gè)完整的風(fēng)電場(chǎng)，研究整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

2 系統(tǒng)仿真模型

PowerWorld Simulator(PWS)是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)大型可視化分析和計(jì)算程序。PWS集電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析、短路電流計(jì)算、經(jīng)濟(jì)調(diào)度EDC/AGC，最優(yōu)潮流OPF、無(wú)功優(yōu)化、GIS功能、電壓穩(wěn)定分析 PV/QV、ATC計(jì)算、用戶定制模塊等多種龐大復(fù)雜功能于一體，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大豐富的三維可視化顯示技術(shù)。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發(fā)電機(jī)的增加以及聯(lián)絡(luò)線功率的交換，一切僅需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成[6-10]。

本文中使用模型的基本原型是WSCC-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，不考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部機(jī)組之間的影響，因此采用PWS15.0中的DFIG模型來(lái)等值一個(gè)完整的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)模型只包括一個(gè)簡(jiǎn)化的風(fēng)力機(jī)等值模型(GEWTG)，它包含了詳細(xì)的勵(lì)磁控制器模型(EXWTGE)和機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)模型(WNDTGE)，詳細(xì)模型見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。原模型中的兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)更替成了DFIG，同步機(jī)為平衡機(jī)，系統(tǒng)負(fù)荷水平為315MW，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 PSW下的WSCC-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖

2．1 切機(jī)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

常規(guī)的大容量發(fā)電廠退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)由于突然失去大量無(wú)功注入可能存在電壓崩潰的危險(xiǎn)。雙饋感應(yīng)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制，因此基于DFIG的無(wú)功特性取決于雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制。一般而言，DFIG構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)能夠控制其風(fēng)電場(chǎng)出口與電網(wǎng)之間不交換無(wú)功功率，即整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)不發(fā)出也不消耗無(wú)功。因此，切除整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)后，采用風(fēng)火打捆方式，即利用火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力配合運(yùn)行，對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行補(bǔ)償，平抑風(fēng)電的間歇性波動(dòng)，保證風(fēng)電電能質(zhì)量。用等高線可視化展現(xiàn)采用風(fēng)火打捆方案切風(fēng)機(jī)后各節(jié)點(diǎn)的電壓情況如圖3所示。

圖3 PSW下的切DFIG后各節(jié)點(diǎn)電壓情況

從圖3可知，在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定極限的允許范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)必須配備足夠的無(wú)功補(bǔ)償容量。

2．2 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響

以美國(guó)西部電網(wǎng)WSCC-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響進(jìn)行暫態(tài)仿真。

暫態(tài)計(jì)算綜合評(píng)估系統(tǒng)的功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定情況。在計(jì)算結(jié)果滿足以下所有條件時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是暫態(tài)的:1)故障后，同一交流系統(tǒng)內(nèi)功角差最大的兩臺(tái)機(jī)組之間的功角差呈現(xiàn)減幅振蕩并漸趨于平穩(wěn);2)故障期間任何時(shí)刻系統(tǒng)頻率在47.5～51.5 Hz，故障后恢復(fù)至 49.2 ～50.5 Hz。PWS下風(fēng)機(jī)未脫網(wǎng)和脫網(wǎng)系統(tǒng)頻率曲線如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可知，若風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，系統(tǒng)瞬時(shí)頻率最低跌至49.30 Hz，但若風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)則最低跌至48.80 Hz，加重了系統(tǒng)頻率的下跌幅度。分析其原因，隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，大規(guī)模風(fēng)機(jī)暫時(shí)脫網(wǎng)將造成系統(tǒng)較大的頻率缺額，使系統(tǒng)短時(shí)難以恢復(fù)至額定頻率。文獻(xiàn)[8]指出，風(fēng)電在電網(wǎng)中所占發(fā)電比重越大，對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻困難的負(fù)面影響也越大;文獻(xiàn)[9-10]討論了當(dāng)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)使機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率完全解耦時(shí)，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率發(fā)生改變，機(jī)組無(wú)法對(duì)電網(wǎng)頻率提供有功貢獻(xiàn)。當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生高功率缺額時(shí)，電網(wǎng)頻率降低的變化率較高，頻率跌落幅度較大，不利于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

2．3 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

在暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，假定故障及其恢復(fù)過(guò)程中風(fēng)速保持不變，負(fù)荷需求也保持不變，重點(diǎn)研究電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)特性和對(duì)電力系統(tǒng)的影響，以及10個(gè)周波后風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)中退出，對(duì)同步發(fā)電機(jī)功角特性的影響。PWS下暫態(tài)故障說(shuō)明如圖6所示。

圖6 PSW下暫態(tài)故障說(shuō)明圖

如圖6所示，選取母線8作為三相接地故障發(fā)生的母線，發(fā)生時(shí)間為1 s時(shí)刻，斷路器在1.1 s動(dòng)作將故障切除。PWS下機(jī)端電壓響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 PWS下機(jī)端電壓響應(yīng)曲線

圖7中三相接地故障發(fā)生1 s時(shí)刻，各發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓都有跌落，最低跌落到0.27 p.u.，風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)其補(bǔ)償無(wú)功。文獻(xiàn)[12]研究了利用靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)改善基于定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組和基于轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的繞線式發(fā)電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[13]將靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)和可控硅控制串聯(lián)補(bǔ)償器(TCSC)進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了其對(duì)異步機(jī)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用。PSW下風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后同步機(jī)功角特性如圖8所示。

圖8 PWS下風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后同步機(jī)功角特性

考慮到WSCC-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)為美國(guó)西部電網(wǎng)系統(tǒng)，所以為了驗(yàn)證其仿真結(jié)果的普遍性，在PSW15.0中搭建典型的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖9所示。

將原系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)G2替換為等容量的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可知，若風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，系統(tǒng)瞬時(shí)頻率最低跌至49.96 Hz，但若風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)則最低跌至49.40 Hz，加重了系統(tǒng)頻率的下跌幅度。

3 結(jié)論

1)采用風(fēng)火捆綁方案可改善風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

2)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)其補(bǔ)償無(wú)功，因此可通過(guò)在風(fēng)電機(jī)組機(jī)端并聯(lián)電容及加裝靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)和可控硅控制串聯(lián)補(bǔ)償器(TCSC)的聯(lián)合補(bǔ)償來(lái)改善電壓穩(wěn)定性。

3)當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，大規(guī)模風(fēng)機(jī)暫時(shí)脫網(wǎng)將造成系統(tǒng)較大的頻率缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)短時(shí)難以恢復(fù)至額定頻率。

4)利用PWS軟件分析風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)后的暫態(tài)電壓、頻率穩(wěn)定問(wèn)題為調(diào)度人員提供了有效而直觀的檢驗(yàn)手段。

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