不同风电机组的低电压穿越能力分析
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第
36卷 第
12期
2008年
12
月Vol.36
No.12
Dec.
2008
不同风电机组的低电压穿越能力分析
邢文琦
,晁 勤
(新疆大学电气工程学院
,新疆乌鲁木齐
830008)
摘 要
:应用
Matlab7.0建立了含不同风电机组的风电场动态模型
,用于研究包含恒速异步风力发电机和双
馈异步风力发电机的风电场对电网的影响
,通过仿真分析电网发生严重三相短路故障后不同风电机组的低
电压穿越能力
,以及加装静止无功补偿器(
SVC)后风电机组的低电压穿越能力。比较风电机组转速、有功功
率和无功功率变化情况
,得出结论
:双馈异步风力发电机变速平稳
,低电压穿越能力较强
,有利于优化电能质
量。当电网发生故障时
,针对风电场中的不同风电机组应采用不同的策略来提高风电机组的低电压穿越能
力
,维持电力系统的稳定运行。
关键词
:风电场
;恒速异步风力发电机
;双馈异步风力发电机
;低电压穿越
;静止无功补偿器(
SVC)
基金项目
:国家自然科学基金项目(
50667002)
;新疆教育厅重点项目(
XJEDU2005I01)
作者简介
:邢文琦(
19802)
,男
,硕士研究生
,研究方向为电力系统稳定与控制。
中图分类号
:TM315;TM614 文献标识码
:A 文章编号
:10012
9529(
2008)
122
00212
05
Analysisoflowvoltageride2
throughcapabilityfordifferentwindturbines
XINGWen2
qi,CHAOQin
(
CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniv.,Urumqi830008,China)
Abstract:ThedynamicmodelofwindfarmswithdifferentwindturbineswasbuiltwithMatlab7.0tostudytheeffect
ofwindfarmswithfixedspeedinductionwindturbinesanddoubly2
fedinductionwindturbinesonthepowergrid.
Simulationswereconductedtoanalyzethelowvoltageride2
through(
LVRT)
abilityofvariouswindturbinesafteroc2
currenceofseriousthree2
phasefaultsorinstallationofSVCinthepowergrid.Basedonanalysisoftherotationspeed,
theactivepower,andthereactivepowerchangesofthewindturbine,itisconcludedthatthedoubly2
fedinduction
windturbinewhichhassteadyspeedvariationandstrongLVRTabilityisbeneficialtooptimizethepowerquality.
Whenfailuresoccurinthepowergrid,differentstrategiesshouldbeappliedfordifferentturbinestoimprovetheir
LVRTtomaintainthestabilityofthepowersystem.
Keywords:windfarm;fixedspeedinductionwindturbine;doubly2
fedinductionwindturbine;lowvoltageride2
through(
LVRT)
;SVC
随着电网中的风电场规模的不断扩大
,以及
风电技术的不断成熟
,势必会出现包含不同风电
机组的风电场运行在电力系统中的现象。由于设
备技术先进程度不同导致对电网的影响也可能不
同
,因此研究含不同风电机组的风电场在电力系
统中的动态仿真非常重要。针对不同风电机组对
电网暂态稳定的影响
,文献
[1]～文献
[2]建立了
恒速异步风力发电机动态模型
,从不同角度分析
了该机组对电网暂态稳定的影响。文献
[3]～文
献
[9]对双馈异步风力发电机进行建模和仿真
,
主要分析其控制策略和暂稳特性。文献
[10]利
用
DIgSILENT软件分别比较了
3种风电场对电网
暂态稳定性的影响
,分析各自风电场的出口电压恢复情况以及风电场的无功变化情况。文献
[11]～文献
[15]分析了风电机组的低电压穿越
原理和相应的控制策略
,并提出了确定风电机组
低电压穿越参数与要求的方法。
本文利用
Matlab/Simulink仿真工具箱
Sim2
powerSystem建立了包含恒速异步风力发电机和
双馈异步风力发电机的风电场动态模型
,并接入
无穷大电力系统中
,分析其在电网发生严重三相
短路故障时对风电机组出口电压的影响。通过仿
真该风电场对电网暂态稳定性的影响
,不同风电
机组转速、有功功率和无功功率变化情况
,以及电
网电压跌落时对不同风电机组低电压穿越能力的
分析和风电机组加装静止无功补偿器(
SVC)
后低22(总
1511
)
2008,36(
12)
电压穿越能力的比较
,得出了一些有参考价值的
结论。
1 数学模型
1.1 恒速异步风力发电机
恒速异步发电机没有励磁回路
,只能通过外
部电源进行励磁。在给定转速的条件下异步发电
机的电磁转矩
T
e与机组出口电压
U的平方成正
比
,即有
T
e=KSU2
式中
K———与发电机参数有关的常数
;
S———发电机转差率。
异步发电机的转子运动方程为[16]
Jdω
d
t=T
m-T
e-T
0(
1)
式中
J———发电机旋转模块的总转动惯量
;
T
m———作用在与发电机相连的风力转子上的机械
转矩
;
T
0———机械摩擦阻转矩
;
ω
———发电机转子旋转角速率。
定子电压方程为[17]
U
S=-(
r+j
x′)
I
S+E′(
2)
式中
,
U
S、
I
S、
E′和
x′分别为发电机定子电压、定子电流、暂
态电势和暂态电抗。
电网发生故障使发电机出口电压降低时发电
机的输出转矩减小
,从式(
1)可以看出
,在机械转
矩保持不变的情况下
,发电机电磁转矩的减小会
造成转子加速。在电网故障消失后的系统电压恢
复过程中
,发电机要从电网中吸收大量无功功率
以重建发电机内部电磁场
,这样就导致了电网中
出现较大的冲击电流
,并在风电场和与其相连的
变电站的联络线上产生很大电压降
,从而进一步
降低了风电场出口电压[10]
。
1.2 双馈异步风力发电机
双馈异步发电机与恒速异步发电机不同的
是
,双馈异步发电机定子直接接入电网
,转子通过
交—直—交(
AC—
DC—
AC)变换器与电网相连。
双馈异步风力发电系统如图
1所示。
定子绕组的有功功率
P
s和无功功率
Q
s可以
如下表示[3,17]
:
P
s=3
2L
m
L
su
si
qr(
3)
Q
s=3
2u
s(L
m
L
si
dr-u
s
ω
sL
s)(
4
)图
1 双馈异步风力发电机系统
式中
,
u
s为定子相电压
;
i
dr、
i
qr为转子电流在同步旋转坐标
系下
d轴和
q轴分量
;
L
s、
L
m为定子自感和互感
;ω
s为转
差角速度。
转子侧变换器的矢量控制策略是利用转子电
流在同步旋转坐标系
d轴、
q轴上的分量
i
dr、
i
qr控
制定子发出的有功
P
s和无功
Q
s,从而实现了发
电机有功功率和无功功率的解耦控制。
直流电压u
dc和无功功率
Q
g可以如下表
示[3,17]
:
Cd
u
dc
d
t=3
4mi
gd-i
dcr(
5)
Q
g=3
2u
gi
gq(
6)
式中
,
i
gd、
i
gq是电网电流在
d轴、
q轴上的分量
;
i
dcr是转子
直流电流
;
C为直流电容
;
u
g为电网相电压
;
m为网侧变
换器
PWM调节度。
网侧变换器的矢量控制策略是通过电网电流
在
d轴、
q轴上的分量
i
gd、
i
gq控制电网侧变换器与
电网之间交换的有功功率
P
g与无功功率
Q
g,并
通过有功电流
i
gd控制直流电压
u
dc,通过无功电流
i
gq来控制交流侧电压与电流的相位。
当故障消失后
,机组利用重新启动的变换器
控制有功功率和无功功率
,减少了发电机磁场重
建所造成的电网冲击电流以及机组出口的电压
降
,另外通过变换器可以控制双馈风电机组的转
速。可见与恒速风电机组相比
,双馈风电机组提
高了系统的稳定性。
2 含风电场的电网模型仿真
2.1 概述
以图
2所示进行容量为
18MW风电场接入
无穷大电力系统的分析
,其中风电场由
6台
1
.5
MW双馈异步风力发电机组和
12台
750kW恒速
异步风力发电机组组成
,它通过
20km的输电线
路与
110kV无穷大系统相连。
图
3是利用
Matlab7.0搭建的含风电电网仿
