籠型風電機組結構的風力發電系統運行仿真分析

賽爾山伙加·居曼，常喜強，郭小龍，張新燕

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆，烏魯木齊　830047;2.國網新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊　830003)

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籠型風電機組結構的風力發電系統運行仿真分析

賽爾山伙加·居曼1，常喜強2，郭小龍2，張新燕1

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆，烏魯木齊830047;2.國網新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊830003)

摘要：在當今世紀能源日漸短缺、氣候變化和環境日益惡化的全球背景下，風能作為一種清潔、可再生能源受到了高度的關注。介紹了籠型異步風力發電系統的類型和基本工作原理，并針對籠型異步風力發電系統建立了動態數學模型。其次，在 Matlab/Simulink 仿真環境下構建風電場并網系統的模型，通過仿真分析，研究籠型異步風力發電系統的穩定機理；并通過對風速擾動、線路斷線故障、線路短路故障等各種擾動下的系統運行狀況進行動態仿真，最后針對仿真結果提出提高系統穩定性的措施。

關鍵詞：籠型風電機組；風力發電；系統運行；電壓穩定性；動態仿真

Abstract：In the present century, energy is getting shorter, climate is changing and environment is becoming increasingly worse, so under this background, wind energy, a kind of clean and renewable energy sources, has attracted extensive attention. The type and basic working principle of cage asynchronous wind power generation system are introduced, and the dynamic mathematical model of cage asynchronous wind power generation system is established. Then, the model of wind power grid system is built using Matlab/Simulink. Through the simulation analysis, the stabilizing mechanism of cage asynchronous wind power generation system is studied, and the dynamic simulation of system operating condition is carried out under different disturbances such as wind speed variation, line breaking fault and short-circuit fault. Finally some conclusions are obtained, and the measures to increase the stability of cage asynchronous wind power generation system are proposed.

Key words：cage-type wind turbine generator system; wind power generation; system operation; voltage stability; dynamic simulation

0引言

由于傳統的化石能源正在逐漸枯竭，風能作為一種儲量巨大的可再生綠色能源,得到全世界的廣泛重視和快速發展。隨著風電的迅速發展，大規模風電場的陸續出現，風電裝機容量在電力系統中所占的比例越來越大，風力發電對電力系統的影響也逐漸增大，嚴重故障情況下甚至會引起系統不穩定。因此，對各種擾動下的鼠籠式異步風力發電系統能否維持穩定運行進行研究，以及如何提高其運行的穩定性是十分必要的[1-2]。

在 Matlab/Simulink 仿真環境下構建風電場并網系統的模型，而風電場并網系統是由鼠籠式異步發電機構成的。研究籠型風電機組結構的風力發電系統的電壓失穩機理，以及通過對線路斷線故障、風速擾動、線路短路故障等各種擾動下的系統運行狀況進行動態仿真，詳細分析各種仿真過程，最后得出一些有意義的結論，并提出提高籠型風電機組結構的風力發電系統穩定性的措施。

1風力發電機組動態數學模型

風力發電機組動態數學模型是由風速模型、風力機模型、傳動機構模型以及異步發電機模型組成，見圖1[3]。

圖1　風力發電機組基本模型

1.1風速模型

風速具有明顯的間歇性和隨機性，在一般情況下，根據統計規律分析，風電場風速符合威布爾(Weibull)分布。

(1)

式中：V是風速；f(V)是風速分布函數；A、K分別是威爾布尺度系數和形狀系數。為了精確描述風速間歇性和隨機的特點，通常采用4種形式的風速來模擬實際風速變化情況：基本風VA、陣風VB、漸變風VC和隨機風VD。

1.2風力機與傳動部分模型

1)風能轉換模型。風輪機主要包括齒輪箱、輪轂、葉片和傳動軸等傳動裝置[4]。葉片的作用是將風能轉換成機械轉矩。風力機的機械轉矩關系式如式(2)。

(2)

式中：TW為風力機的機械轉矩；ρ為空氣密度；CP為風力機轉換效率系數；R為葉片半徑；VW為作用于葉片的風速；λ為葉尖速比，λ=ωR/VW(其中：R為葉片半徑；ω為風力機轉速)。

2)傳動機構的模型[5]。風力機組的傳動機構由輪轂、齒輪箱和傳動軸組成。輪轂連接葉片和齒輪箱,輪轂具有較大的慣性,齒輪箱和聯軸器傳遞風力機和異步發電機之間的轉矩，傳動部分的模型為

(3)

式中：Tm為傳動機構輸出轉矩；TW為傳動機構輸入轉矩；τh為風力機慣性時間常數。在簡化模型中把齒輪箱位理想的剛性齒輪組，傳動軸的慣量等效到發電機轉子中。

3)槳距角控制系統[6-7]。風輪機風能轉換效率系數是葉尖速率比和槳距角的函數。一旦風速變化風輪機運行點將發生變化，為了保證風能的轉換效率和風輪機的平穩輸出，把風輪機的槳距進行調整。風力發電機中槳葉的控制方式主要有兩種：一種是定槳距風機，另一種是變槳距風機。變槳距控制系統一般用式(4)表示。

(4)

式中：β為槳距角；βref為由當前轉速求得的槳距角的參考值；βref是Cp與λ的函數，表示為βref=ζ(CP，λ)；τ為變槳距控制系統的慣性時間常數。

1.3異步發電機的模型

大量的研究表明，異步發電機的三階機電暫態模型能較準確地描述其動態過程，如式(5)所示[8]。

(5)

異步發電機的轉子運動方程為

(6)

式中：Mm為發電機的機械轉矩；ME為電磁轉矩；Tj為發電機的轉子慣性時間常數。于是發電機的電磁轉矩方程為

(7)

式中：Pe為發電機的電磁功率，(p.u.)；Re表示取實部；ω為發電機角速度，(p.u.)。

2基于Matlab/Simulink 的異步風電場仿真

2.1仿真系統概述

應用Matlab/Simulink仿真環境搭建的仿真系統模型,以某個風電場中的8臺額定容量為1.5 MW的鼠籠式風力發電機組為例，系統拓撲結構如圖2所示。其中將每兩臺鼠籠式異步風力發電機當作1臺2×1.5 MW的鼠籠式異步風力發電機組來看，于是，風電場有3臺2×1.5 MW風力發電機組構成的總裝機容量為9 MW的模型。每臺2×1.5 MW風力發電機組的出口電壓為575 V，經過升壓變壓器將其升壓到25 kV，然后通過25 km雙回輸電線路輸送，并與120 kV無窮大系統相連。

圖2　籠型異步風力發電系統圖

2.2仿真分析[9-11]

首先研究了電壓失穩機理，然后分別對風速擾動、線路斷線故障以及線路短路故障3種狀況下對風電系統的動態過程進行仿真，并且分析其對風電系統的穩定性和規律。

2.2.1電壓失穩機理研究

1)把25 km的輸電線路假設成單回輸電線路，在仿真過程中風速保持額定風速不變，額定風速為9 m/s，t=3 s時輸電線路出現三相短路故障，0.12 s后切除故障，仿真時長為5 s。

圖3　電壓失穩機理仿真圖

從圖3仿真曲線易知，系統發生故障時母線電壓大幅下降，0.15 s故障切除后母線電壓先有所回升，隨后邊振蕩邊電壓持續下降，最后電壓失去穩定。

2)與1)同等條件下，增大風電機組慣性時間常數H(s)，母線電壓的動態仿真圖如圖4所示。

圖4　增大風電機組慣性時間常數H(s)的母線電壓仿真圖

與圖3相比，0.15 s故障切除后母線電壓開始回升，緊接著經過短暫振蕩持續上升，電壓重新恢復到原來的狀態，電壓依然保持穩定。

2.2.2風速擾動

假設以8 m/s的最初時刻風速開始，經過3 s的上升時間，風速達到11 m/s，但在t=2 s時刻時出現漸變風，漸變風的風速幅值為3 m/s，仿真時間為20 s。

1)當25 km輸電線路為雙回輸電線路時，進行仿真系統分析，仿真結果如圖5所示。

由圖5可知，在風電系統雙回輸電線路狀況下，電機的轉速和有功功率隨著風速的增大而逐漸增大，當風速上升到11 m/s時，風電場出口25 kV母線電壓和風力發電機的無功功率隨著風速的增大而減小。出現一段時間的波動，隨后風力發電機的有功功率、無功功率、風電場出口25 kV母線電壓和轉速均達到某一穩定值并都穩定下來，因此，系統沒失穩。

2)與1)相同條件下，當25 km的雙回輸電線路改為單回輸電線路時，15 s時發生三相短路，故障0.1 s后切除。仿真結果如圖6所示。

圖5　雙回輸電線路時的風電系統仿真圖

圖6　單回輸電的風電系統仿真圖

由圖6得知，輸電線路是單回輸電線路情況下，當風速上升到11 m/s時，風力發電機的有功功率和無功功率經過一段時間的變化后均迅速下降為0，風力發電機轉速逐漸增大，系統崩潰。因此，系統失去穩定。

3)與1)相同條件下，當風速達到14 m/s時，仿真結果如圖7所示。

圖7　雙回輸電的風電系統仿真圖

由圖7可知，在輸電線路為雙回輸電線路情況下，當風速上升到14 m/s時，雙回輸電線路系統的性質與以上單回輸電線系統路的性質相似。

4)與3)相同條件下，在風電場出口處接入容量為7 MVA的無功補償裝置STATCOM后進行仿真，仿真時長為50 s，結果如圖8、圖9所示。

圖8　雙回輸電的風電系統中的STATCOM的仿真圖

圖9　雙回輸電的風電系統接入STATCOM后的仿真圖

由圖8可知，在仿真過程中無功補償裝置STATCOM發出無功。由圖9可知，在雙回輸電線路的風電系統接入STATCOM的情況下，當風速由8 m/s變到14 m/s時，隨著風速的增大風力發電機的轉速和有功功率逐漸增大；同時風力發電機的風電場出口25 kV母線電壓和無功功率減小，經過一段時間的波動后，所有參數都在某一值穩定下來：因此，整個系統沒失穩。

2.2.3斷線故障過程仿真

假設仿真過程中額定風速保持9 m/s不變，當仿真運行到4 s時，在25 km雙回輸電線路中的其中一回發生斷線故障，仿真結果如圖10所示。

由圖10可知，當雙回輸電線路其中一回發生斷線故障時，風力發電機的各個參數經過一段時間的波動后，都在某一穩定值附近穩定下來，因此，系統沒有失穩。

2.2.4短路故障

假設風速保持在額定風速9 m/s不變，當系統運行到6 s時，發生短路故障，仿真時間長為20 s。

1)當近母線端發生三相短路故障時，系統運行到0.09 s后切除故障，仿真結果如圖11所示。

圖10　雙回輸電線路中的其中一回發生斷線故障后的仿真圖

圖11　近母線端發生三相短路故障時的系統仿真圖

由圖11可知，在近母線端6 s時發生三相短路故障的情況下，風力發電機的有功功率和無功功率在一段時間的變化后均立刻下降為0，發電機的轉速會不斷增大，系統崩潰。因此,整個系統失穩。

2)在近母線端發生單相接地短路故障時，故障0.09 s后切除，系統仿真結果如圖12所示。

圖12　近母線端發生單相接地短路故障時的系統仿真圖

由圖12得知，近母線端6 s時發生單相接地短路故障的情況下，當故障切除時間為0.09 s時，風力發電機的有功功率和無功功率以及轉速在在一段時間的上下波動后，其都在某一穩定值范圍穩定下來。因此，整個系統沒有失穩。

3)在遠離母線端發生三相短路故障時，故障0.09 s后切除，系統仿真結果如圖13所示。

圖13　遠母線端發生三相短路故障時的系統仿真圖

由圖13得知，在遠母線端發生三相短路故障的狀況下，其性質與近母線端發生單相接地短路故障時的性質相似。

4)與1)相同條件下，在風電場出口接入7 MVA的無功補償裝置 STATCOM后進行仿真，其結果如圖14、圖15所示。

圖14　風電系統中的STATCOM仿真圖

圖15　風電場出口接入STATCOM后系統的仿真圖

由圖14得知，在仿真過程中無功補償裝置 STATCOM發出無功；由圖15得知，當近母線端6 s時發生三相短路故障時，風電系統接有無功補償裝置STATCOM下的性質與以上的性質相類似。

5)與 4)相同條件下，故障0.12 s后切除，系統仿真結果如圖16、圖17所示。

由圖16得知，在仿真過程中無功補償裝置STATCOM發出負無功；由圖17得知，當故障切除時間為0.12 s時，風力發電機的有功功率和無功功率在一段時間的變化后迅速下降為0，發電機轉速不斷增大。因此，整個系統失穩。

圖16　近母線端發生三相短路故障時風電系統的STATCOM仿真圖

圖17　近母線端發生三相短路故障時接入STATCOM后系統的仿真圖

3結論

對由籠型異步風力發電機組組成的簡單風電系統進行了動態仿真分析。主要結論如下：

1)由于鼠籠式風力發電機相當于一個無功負荷，需要從系統中吸收無功功率，所以需要在風電場出口安裝無功補償裝置，這里選擇用STATCOM，通過仿真結果易知，對于一個失穩的風電系統，當接有無功補償裝置后，可以達到系統穩定運行。

2)在相同風速擾動情況下，雙回輸電線路比單回輸電線路更有利于系統的穩定。因此，優化設計輸電線路、增強線路的網架結構，有利于風電系統的穩定。

3)在相同的故障點和故障切除時間情況下，故障越嚴重越會影響系統穩定性。

4)在相同故障情況下，系統故障切除時間越短，越有利于風電系統的穩定。

針對以上結論，提出以下幾種提高鼠籠式異步風力發電系統的穩定性的措施：1)改善風電機組的機械參數；2)優化網架結構；3)采用變槳距控制；4)添加動態制動電阻；5)添加動態無功補償裝置；6)快速切除故障。

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基金項目：大規模風電光伏接入電網無功電壓優化控制與綜合評價技術研究(SGXJ0000DKJS1440234)

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0010-05

作者簡介：

賽爾山伙加·居曼(1989)，碩士，主要研究風發電及并網技術；

張新燕(1964)，博士研究生、教授、碩士生導師，主要從事風力發電技術、風機并網故障分析、故障診斷等方面的研究工作。

(收稿日期：2015-11-12)