異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)速突變對并網(wǎng)系統(tǒng)影響分析與防護(hù)措施

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(國網(wǎng)重慶武隆縣供電有限責(zé)任公司，重慶 408500)

0 引 言

在目前形勢下，國家已經(jīng)把能源作為一個國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。中國是世界風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量最大的國家之一，異步風(fēng)力機(jī)最早應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中，各地區(qū)風(fēng)電場中均含有異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于天氣原因，風(fēng)速具有不可預(yù)測性和間斷性，將導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組的有功出力出現(xiàn)隨機(jī)變化，嚴(yán)重會影響到電網(wǎng)安全穩(wěn)定。當(dāng)大規(guī)模含異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場并入電網(wǎng)時，風(fēng)速發(fā)生突變時，風(fēng)電場將不能正常運(yùn)行，會對并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成沖擊和影響，甚至威脅其他掛網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時會致使系統(tǒng)瓦解，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

目前，風(fēng)速突變時對異步風(fēng)力機(jī)組的影響研究較多，但對其接入電網(wǎng)后其電壓等相關(guān)影響、風(fēng)能利用率和對其的防護(hù)措施研究較少，文獻(xiàn)[1]主要分析了在風(fēng)速變突變時風(fēng)電場出口電壓的情況。文獻(xiàn)[2]提出了采用小干擾穩(wěn)定分析方法仿真分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速突變下的數(shù)學(xué)模型，并對風(fēng)電場和接入電網(wǎng)之間相互影響進(jìn)行了全面分析。文獻(xiàn)[3]研究了某實(shí)際風(fēng)電場實(shí)際風(fēng)電功率波動的時空分布特性及其內(nèi)在趨勢性特征，來系統(tǒng)評估風(fēng)電波動對并網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。

現(xiàn)有研究中對風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速突變下對并網(wǎng)系統(tǒng)影響分析的文獻(xiàn)較多，但對異步風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速突變下采取的防護(hù)措施的相關(guān)研究較少。于是針對異步風(fēng)力機(jī)機(jī)組接入電網(wǎng)在風(fēng)速突變時段的電壓和風(fēng)能利用率進(jìn)行了分析，得到了在風(fēng)速突變情況下，異步風(fēng)力機(jī)對系統(tǒng)電壓影響較大和風(fēng)能利用率較小。提出了當(dāng)風(fēng)速突變時異步風(fēng)力機(jī)采用無功補(bǔ)償措施，電壓在安全運(yùn)行范圍，風(fēng)力機(jī)組的風(fēng)能利用率明顯上升；同時給出了平移突變風(fēng)速和變槳距控制風(fēng)速突變的可行性措施。

1 突變風(fēng)速模型與風(fēng)能轉(zhuǎn)變模型

1.1 突變風(fēng)速模型

風(fēng)速一般可分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。突變風(fēng)速一般為陣風(fēng)，其模型如圖1所示。

圖1 突變風(fēng)速模型圖

突變風(fēng)速數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中,VB為基本風(fēng);Vcos為陣風(fēng)風(fēng)速;tG為陣風(fēng)啟動時間;tG1為陣風(fēng)作用時間。

1.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)變電能模型

風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)的能量與其風(fēng)速的平方成正比。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)輪在流動的空氣中獲得了阻礙流動空氣流速的部分機(jī)械能。風(fēng)輪從空氣中吸收的功率可以用公式(2)表示。

(2)

A=πR3

(3)

式中，P為風(fēng)輪輸出功率；Cp為風(fēng)輪的功率系數(shù)；A為風(fēng)輪掃掠面積；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；R為風(fēng)輪半徑。風(fēng)輪可獲得的最大風(fēng)效率，即貝茲極限下Cp=59%[4]。

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，風(fēng)力機(jī)獲得最佳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式如下。

Popt=kn3

將公式(1)代入公式(4)中，可以得到風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)獲得最佳功率呈三次方變化。但在風(fēng)速突變過程中，傳動過程的慣性將會影響風(fēng)力機(jī)獲得最佳功率，不利于風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率。

2 仿真系統(tǒng)模型與結(jié)果分析

2.1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

因?yàn)轱L(fēng)速不穩(wěn)定和不確定性，很難保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終為同步轉(zhuǎn)速，所以目前大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用的是異步發(fā)電機(jī)。同時由于異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在國內(nèi)風(fēng)電場中大規(guī)模使用。異步風(fēng)力機(jī)組接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)

2.2 含異步風(fēng)力機(jī)組風(fēng)電場仿真系統(tǒng)

基于異步風(fēng)力機(jī)組模型搭建了該機(jī)型等值風(fēng)電場接入電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)，其系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真動態(tài)系統(tǒng)模型

仿真過程中的風(fēng)速采用陣風(fēng)模型，其基本風(fēng)為7 m/s，風(fēng)速從2 s開始經(jīng)過2.5 s突增到17 m/s，再經(jīng)過2.5 s從17 m/s下降至7 m/s。

含異步風(fēng)力機(jī)組等值風(fēng)電場容量為10 MW，將以上突變風(fēng)速引入，對風(fēng)電場PCC點(diǎn)的電壓、電流、有功和無功波動曲線進(jìn)行仿真和分析。

2.3 仿真結(jié)果分析

在風(fēng)速突變時段，異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)電場接入電網(wǎng)的PCC點(diǎn)母線電壓、電流、有功功率、無功功率圖形，如圖4、5、6、7所示。

對圖4分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能時由于傳動慣量有時間延遲。

在風(fēng)速擾動時段，異步風(fēng)電場PCC母線電壓跌落0.14UN，0.5 s后并網(wǎng)側(cè)低電壓繼電器保護(hù)動作，將該等值風(fēng)電場切除，其與并網(wǎng)系統(tǒng)解列。

圖4 異步風(fēng)電場PCC母線電壓

圖5 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流波動

圖6 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率

圖7 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率

對圖5分析可知，等值異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)電場風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的時間延遲為1 s，變化趨勢基本與風(fēng)速一致；電流隨著風(fēng)速增大而增大，但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速值時，電流沒有達(dá)到額定出力值，最后異步風(fēng)力機(jī)因電壓跌落與電網(wǎng)解列，電流為數(shù)字。

對圖6分析可知，異步風(fēng)力機(jī)有功功率隨風(fēng)速增大而減小的趨勢，仿真中異步風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)速增大而有功功率降低，最后在5.35 s時刻，并網(wǎng)側(cè)低壓繼電保護(hù)動作將風(fēng)電場解列。

從圖7可以得出在風(fēng)速突變時斷，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一直對電網(wǎng)發(fā)出無功功率，直至解列為止。

從以上仿真結(jié)果圖形中，可知在對異步風(fēng)力機(jī)組引入突變風(fēng)速時段，異步風(fēng)力機(jī)電壓跌落明顯；電流隨風(fēng)速增大而增大；有功功率有下跌趨勢；無功功率隨風(fēng)速變化。

3 異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)速突變防護(hù)措施

3.1 加無功補(bǔ)償裝置

在異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)電場的出口接入無功補(bǔ)償裝置時，引入同一突變風(fēng)速，接入同一電網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖8、9、10所示。

圖8 無功補(bǔ)償后異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速擾動時電壓

圖9 加無功補(bǔ)償后異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流

圖10 加無功補(bǔ)償后異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率

圖11 加無功補(bǔ)償后異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率

通過圖4、5、6、7與圖8、9、10、11對比，明顯可知，加入無功補(bǔ)償裝置STATCOM后，異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)電場能正常運(yùn)行風(fēng)速突變時段，電壓穩(wěn)定在正常安全電壓下，風(fēng)能利用率明顯提高，有效地解決了異步風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速突變時段引起電壓跌落問題。

3.2 平移突變風(fēng)速

風(fēng)速通過葉片帶動齒輪箱，然后帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。在異步風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時，考慮到風(fēng)速突變(突增)，可在風(fēng)力機(jī)內(nèi)部風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能后，將動能進(jìn)行平移。如使齒輪箱的傳遞齒輪的加速度達(dá)到一定值時趨于飽和，不使轉(zhuǎn)速上升，進(jìn)而對突變風(fēng)速進(jìn)行平移，最后使風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行。

3.3 變槳距控制

在異步風(fēng)力機(jī)的葉片上，安裝變槳距控制系統(tǒng)。對風(fēng)速實(shí)時監(jiān)測，將測得的風(fēng)速反饋給變槳距控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)進(jìn)行變槳距控制，變槳距控制使風(fēng)力機(jī)的葉片攻角在一定范圍內(nèi)(0°～90°)變化，從而調(diào)節(jié)輸入風(fēng)速，達(dá)到對突變風(fēng)速的控制。

4 結(jié) 論

這里針對的是等值風(fēng)電場，風(fēng)電場的容量相對較小，實(shí)際中風(fēng)電場較大，當(dāng)在此類的風(fēng)電場風(fēng)速突變時，將形成的效果和影響會更大。對平移風(fēng)速、變槳距控制上未作仿真研究，后續(xù)將進(jìn)一步分析研究。由以上研究結(jié)果給出兩點(diǎn)結(jié)論如下。

(1)由動態(tài)仿真結(jié)果表明，基于異步風(fēng)力機(jī)風(fēng)電場風(fēng)速突變時段，風(fēng)電場會解列接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成危害。同時基于電壓、電流、有功、無功波動和風(fēng)能利用率考慮時，應(yīng)考慮該類型機(jī)組在風(fēng)速突變情況下的防護(hù)措施，當(dāng)加STATCOM裝置后，仿真結(jié)果表明該類型風(fēng)力機(jī)此時電壓在風(fēng)速突變時較緩和，且對此時的風(fēng)能利用率較高，使并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)異步風(fēng)力機(jī)組在風(fēng)速突變(風(fēng)速突增)時，電壓下降，當(dāng)風(fēng)速突變到某一值時，由于電壓低于風(fēng)力機(jī)低電壓保護(hù)整定值，繼電器動作，切除該風(fēng)電場，這將對電網(wǎng)安全造成很大的影響。例如2011年4月甘肅酒泉某風(fēng)電場由于低電壓穿越能力不行，風(fēng)電場解列，對西北電網(wǎng)造成巨大影響。風(fēng)電場的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)注重在風(fēng)速突變時，風(fēng)力機(jī)組的電壓跌落問題，如添加STATCOM、風(fēng)力機(jī)內(nèi)部進(jìn)行平移突變風(fēng)速勢能、變槳距控制等。

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