基于D-PMSG的風火打捆直流外送系統送端功角暫態穩定性研究*

米合麗班·阿不都哈力里，王維慶，王海云

(新疆大學 電氣工程學院 教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心, 烏魯木齊 830047)

0 引 言

日益嚴重的環境污染問題不斷地提醒我們發展可再生能源的重要性。風力發電是最具規模化開發條件的可再生能源利用技術之一[1]。截至2016年底，我國風電新增裝機容量2 337萬kW, 占全球新增裝機容量的42.7% 。目前，我國東北、華北、西北等部分地區的風能資源和煤炭資源存在能源就地消納不完的問題，兩種能源均需要大規模集中接入、遠距離輸送至東部和中部負荷中心。隨著直驅永磁風電機組并網容量的不斷增大，研究直驅永磁風電機組與火電機組打捆直流外送系統送端功角暫態穩定性意義重大。

分析電力系統暫態穩定性的方法主要有時域仿真法和直接法[2-3]。風火打捆并網方式對系統穩定的影響主要體現在風功率的波動和不同發電機組的電源特性。文獻[3-4]針對雙饋風機推出其等效模型，分析了雙饋風機的接入對系統功角暫態穩定性的影響。文獻[5]定義了雙饋電機的功角快變特性，并分析了此特性和雙饋電機的機械轉動慣量對“風火打捆”系統火電機組功角暫態穩定性的影響。文獻[6]研究了風電機組類型和輸出功率比例的不同對系統送端暫態穩定性的影響,并得出結論為雙饋風力發電機與火電機組打捆系統暫態穩定性優于其它類型風力機。文獻[7]分析了雙饋風力發電機組的功率特性，研究了系統送端風火互替對于系統功角穩定性的影響。文獻[8]將風電場電磁功率與機械功率等值為同步發電機的機械功率的增量，通過EEAC(擴展等面積法則)對其含風電場的電力系統進行了穩定判斷，文獻[9]在此基礎上推導了系統功角加速度與風電比例之間的關系，針對系統余下群為無窮大系統和非無窮大系統兩種情況進行討論分析，總結出了風電比例影響臨界群與余下群相對功角首擺穩定性的規律。文獻[10]探討了風電、火電和直流系統間的相互作用，分析了不同風電比例和不同直流控制方式下系統的功角暫態穩定特性。文獻[11]在最基本的風火打捆交直流外送系統模型的基礎上，仔細探究了系統送端直流線路發生故障時的暫態穩定性，分析了不同風火配比、不同容量的換流器、不同直流控制方式對暫態穩定性的影響。文獻[12]建立了D-PMSG的完整模型和兩種等效模型，并比較不同模型的接入和不同控制方式對系統暫態穩定性的影響。

綜上所述，目前，風火打捆外送系統功角暫態穩定性的相關研究主要針對風火配比，風電、火電、直流系統間的相互作用等方面，且其模型為基于雙饋型風電機組的風火打捆外送系統模型，但是對基于直驅永磁同步風力發電機的風火打捆外送系統的功角暫態穩定性研究很少。文章從這一點出發，以上述的研究思路為基礎，研究了基于直驅永磁風力發電機的風火打捆直流外送系統的功角暫態穩定性。

1 風火打捆直流外送系統結構

1.1 風火打捆直流外送系統

風電并網后系統是否能夠保持在穩定運行狀態與風速相關，風功率的隨機波動會使系統偏離穩定運行狀態。盡管系統的安全穩定的運行能力可以通過適當的方法維持，可是還是不能夠從根本上解決。采用風電與附近火電打捆經特高壓直流外送的方式，不僅可以滿足可再生能源和大規模傳統能源外送的基本要求，而且可以保證特高壓直流輸電通道輸送功率的平穩，有效提高直流系統的利用率[11]。

文中風火打捆系統與受端交流電網經HVDC系統相連，送端由火電廠和基于D-PMSG的風電場構成，系統結構如圖1所示。

圖1 風火打捆直流外送系統

1.2 風電機組模型

直驅永磁風力發電機模型由風速模型、風輪模型、發電機模型、逆變器、保護系統模型以及相應的各控制器模型組成。該系統中風力機與永磁同步發電機直接聯在軸系上，中間無齒輪箱，而永磁同步發電機通過全功率變換器和升壓變壓器并到網上。全功率變換器使風電機組和電網二者頻率得到匹配的同時還可以使二者隔離，可以起到抑制或減小擾動的作用。因為電機與電網完全解耦，所以不是電機而是逆變器產生并入電網的無功功率。直驅永磁風力發電機模型如圖2所示。

圖2 直驅永磁風力發電機模型

1.3 直流系統模型

特高壓直流一次系統選用準穩態模型，T 型等值電路模型表示直流線路及平波電抗器，代數方程表示直流換相過程、將代數方程與微分方程合并消元，可以得到式(1)所示的UHVDC數學模型：

(1)

式中Idr、Idi、Vc為狀態變量；Idr和Idi分別為整流側和逆變側直流電流；Vc為直流線路中點電壓；Rd為直流電阻；Cdc為直流線路對地等值電容；Udr和Udi分別為整流側和逆變側直流電壓；LdrΣ和LdiΣ分別為整流側和逆變側等效電感；Xr和Xi分別為整流側和逆變側的換流電抗；α和β分別為整流側觸發延遲角和逆變側觸發越前角。

2 D-PMSG功角特性

D-PMSG矢量圖如圖3所示。圖中，E與Us分別為等效內電勢與機端電壓;δ為D-PMSG等效功角。如果輸入的機械功率增加，也就是說功角增大，輸出的電功率隨著增大，當δ=90°時電功率達到最大值。結合此功角特性，D-PMSG的功率輸出可寫為：

(2)

圖3 D-PMSG矢量圖

D-PMSG輸出的有功功率與無功功率因中間的變頻器環節被解耦，正常運行時功率因數為1，即無功功率為0。當電力系統發生故障時，D-PMSG機端電壓會跌落，有功功率和無功功率也會偏離其正常范圍。故障清除后，D-PMSG又快速恢復到恒功率因數運行方式。

3 D-PMSG的接入與HVDC輸電方式對火電的影響

3.1 D-PMSG的接入對火電的影響

D-PMSG的接入使系統變為包含兩種同步發電機的模式，一種是常規同步發電機，另一種是D-PMSG。但是D-PMSG因中間的全功率變頻器與電網隔離，與常規同步發電機不是同步運行。因此風火打捆系統送端功角穩定性問題轉變為分析D-PMSG接入后常規火電機組的功角穩定性問題。假設不考慮風電時系統失穩模式為雙機模式，MS和MA分別為受擾嚴重群慣性時間常數和余下群慣性時間常數，δS和δA分別對應其功角。兩機系統映射到單機無窮大系統后等值運動方程為：

δ=δS-δA

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中Pmi和Pmj分別為第i臺和第j臺同步發電機的機械功率；Pei和Pej為第i臺和第j臺同步發電機的電磁功率；Pm和Pe為單機無窮大系統等值機械功率和等值電磁功率；M與分別為等值慣性時間常數和等值功角加速度。考慮風電時，設定負荷與風速不變，風火打捆系統D-PMSG輸入的功率由S機群減機械功率來平衡。

(9)

(10)

式中 功率符號下標1和0分別對應于風火打捆系統和純火電系統。整理式(7)～ 式(10)可得風火打捆系統等值機械功率，即：

(11)

由上式可知，D-PMSG接入后風火打捆系統的機械功率相對純火電系統的下降，使得穩定運行點也下降。受擾前后，風火打捆系統等值電磁功率與純火電系統的一致。在受擾期間，D-PMSG輸出較大的有功電流，但是因為全功率變頻器的限流作用，其有功電流增大的幅度受限，使電磁功率曲線下降。比起等值機械功率，等值電磁功率的下降幅度較小，導致受擾期間風火打捆系統等值加速功率△P1小于純火電系統等值加速功率△P0。由式(6)可知，受擾期間風火打捆系統等值功角變化得也小，即：

δτ1-δB1<δτ0-δB0

(12)

式中 下標B表示擾動前，根據式(12)，又有δB1<δB0，可推出風火打捆系統在擾動消除時具有較小的功角，即δτ1<δτ0。

圖4 風火打捆系統與純火電系統等值功角對比

圖4中，直線陰影部分表示純火電系統，斜線陰影部分表示風火打捆系統。可見，D-PMSG接入后風火打捆系統的加速面積減小，減速面積增大，通過擴展等面積準則可判斷系統功角暫態穩定性變好。

3.2 HVDC輸電方式對暫態穩定的影響

系統受擾時，直流輸電線路輸送功率幾乎降為零，擾動消除后功率恢復比較快。按直流線路的特性來分析，它對系統起阻尼的效果，使得系統等值機械功率下降，相對純交流輸電方式減速面積增大，有利于系統的暫態穩定性。

4 仿真

在DIgSILENT/Power Factory仿真平臺中搭建風火打捆經超高壓直流外送系統仿真模型。送端風電場由單機容量為1.5 MW的120臺D-PMSG組成，輸出的總有功功率為180 MW。常規火電廠設計輸出總有功功率為672 MW，由4臺單機容量210 MVA的火電機組構成，其功率因數為0.8。

三相故障短路設置在風火打捆高壓直流外送系統送端BUS1母線側，即在3 s時發生，0.2 s后故障切除，30 s后停止仿真。系統火電廠功角曲線如圖5所示。

圖5 三相短路情況下火電廠功角波動

由圖5(a)可知，風火打捆系統和純火電系統送端遭受到三相短路擾動后，火電廠功角有明顯的波動，其中風火打捆系統火電廠功角最高達到105.3°，最低降至 -16.7°；把風電場替換成等容量的火電廠后，系統變為純火電系統，其功角最高達到107.9°，最低降至 -19°；故障清除后功角波動逐漸變小，最終恢復到原來的穩定狀態，可以看出，風火打捆系統恢復穩定狀態所耗的時間比純火電系統耗的短。由圖5(b)可知，當風火打捆系統經交流輸電線路輸送電能時，火電廠功角最高達到135°，最低降至 -24.8°；可以看出，雖然交流輸電方式擾動清除后也能恢到原來的穩定狀態，但是受擾時功角波動大于直流輸電方式，且恢復穩定狀態所耗的時間也比直流輸電方式的長。

5 結束語

探討了由直驅永磁風力發電機構成的風電場和附近火電廠打捆，經直流線路外送系統的送端功角暫態穩定性。通過理論與仿真分析系統送端側發生三相短路故障可以得出：(1)當風火打捆系統中D-PMSG輸入的功率由受擾嚴重群減機械功率來平衡的情況下，其功角暫態穩定性比純火電系統的好；(2)風火打捆系統經直流線路輸送電能時的功角暫態穩定性比經交流線路輸送電能時的好。仿真結果與理論分析結果一致，可以說由D-PMSG構成的風電場與附近火電廠打捆，經直流線路外送的方案可以提高系統的功角暫態穩定性。