影響風力發電機組并網系統穩定性的因素分析

文_李楊楊 黑龍江龍源新能源發展有限公司

風能是當前應用比較廣泛，并且利用比較充分的一種自然能源，最為常見的例子就是將風能應用在電能的產出上。但是，因為風能的速度不能被準確地測量，并且風向具有極大的不穩定性，因此很多的風力發電機組并網不能發揮很好的利用效果，下面我們將對于主要的影響因素進行詳細分析。

1 風力發電機組的基本組成部分

傳統意義上的風力發電機通常包括4 個工作板塊，分別為風速模型、風機、發電機和控制系統。

首先，風速模型具有比較明顯的波動以及隨機特點，這個模型的建立是4 個模塊中最為復雜的部分。在一般的風力發電機組中，對于電網的影響風速性能分析需要進行部分的簡化，因此我們常常將簡化后的工程分為兩個不同的部分，分別為平均風速和其他干擾因素。

其次，在風力發電機組中的發電機種類是比較繁瑣的，因此需要能夠快速找到感應電機模型中同步的型號。為了能夠對于風力發電機的穩定性因素進行仔細研究，我們同樣需要能夠營造了一個比較良好的研究環境，例如忽略飽和情況，定子繞組的動態情況，定子槽影響電子轉動的情況。對于異象模型機的電網分析，工作中需要涉及一些比較復雜的方程組模型，例如搖擺方程、磁鏈和電壓方程等。

最后，對于控制系統模板而言，主要涉及了功率檢測以及速度控制兩個不同的工作板塊，需要能夠在規定的時間內完成如下的工作任務：在規定的風速條件下，機組能夠穩定運行；在額定風速情況下，能夠最大程度上吸收能量；在高頻風速下能夠保證風機保持穩定的輸出模式，避免出現放電機或者其他裝置出現過度負荷的情況。因為控制部分是風電系統高效運行的重要保證，所以需要能夠靈活切換不同的工作模式，常見的控制模式有定漿距離控制、最大頻率跟蹤控制等。

2 傳統恒定風速發電模型系統

我國大部分的電網工程都是利用異步的發電系統，這種發電方式在進行并網的運行過程中不僅會消耗大量的無用功，同時還會對系統的穩定性造成很大的波動影響。這種發電設備為了避免出現這樣的不良影響，通常在另外一端放置一個補償性的電容器，從而減少無用功的吸收。

經過長期的調查和研究可以發現，恒定頻率和速度的發電系統對于系統的自我調節功能沒有任何影響，即使系統出現了故障，這種發電模式也會被立刻從系統中去除，等到系統恢復運作之后才能夠被再次應用。因此，為了防止這樣的故障發生，需要在內部時刻準備一個大量的功率儲備，但是安裝大功率的設備對于電網的穩定性通常會造成不利的影響。因為恒定風速異步的發電系統在結構上比較簡單，方便管理以及維護，所以這種發電系統能夠長期存在。同時這種設備在運行過程中不會造成任何的環境污染，因此在市場上還是具有一定競爭力的。

3 并網雙饋風力發電系統

3.1 軸系模型

并網雙饋系統中的機械傳動模型的主要作用，在于將系統中搜集的風能利用適當的方式轉化為電能。風在吹動風扇頁面的過程中，葉片在低速轉動的時候能夠帶動傳動軸轉動，在經過齒輪箱的過程中，能夠帶動轉動軸進行高速運行，而高速的轉動軸因為和電機部分進行直接連接，因此可以帶動發電機運動，產生電能。完成由機械能轉換為電能的過程。

3.2 發電機的內部構成

風力發電機控制方式主要分為2 個部分，一是利用控制角漿距離的方式；二是利用機器中的電流大小控制風力系統中的電動勢能進行控制。

一方面，如果實際運行過程中的風速大小和額定風速類似，工作人員將利用第一種控制方式控制發電機組。但是，很多搜集的風屬于自然風，具有不穩定性的明顯特點，風勢的走向也不容易被把握，因此風能還是不能被控制的。此時需要能夠根據風速和風能的改變，調節葉片和風速的角度，調整風機去捕獲更多的風能。在控制角度的過程中也會分為2 種不同情況的控制方式，第一種方法就是利用系統反饋的調節信號進行自動調節；第二種方法根據鼓風機的實際輸出功率進行控制。

另一方面，如果運行的過程中實際風速沒有達到預期的額定風速標準，則需要利用變流器控制發電的機組。而其中變流器主要分為2 個不同的組成部分，一是側變流的控制方式，風力發電機組利用側身變流儀器轉換電流的方式，改變電動的勢能大小，對于內部的轉子速度進行改變，徹底改變功率大小對于電流穩定性的影響。二是網測電流控制方式，這種變流器的主要優點在于能夠實現風電機組系統內部的變流器和電網之間無差別功率的調節。如果需要調節功率，可通過改變電流大小的方式，保證直流線路的電壓穩定性；對于沒有功率的部分而言，則能夠通過改變風量的大小進行控制。

4 風電系統仿真

本文所討論的風力系統發電穩定性，主要針對受到外部其他因素干擾后系統始終能夠處于一個比較穩定的情況范圍內，因此下面我們將會對于機組在不同情況下的動態響應情況對于并網系統的穩定性進行研究。

4.1 仿真模型

為了能夠檢測后期建立的漿距角模型的科學性，需要能夠對于并網系統建立一個相應的仿真系統，該系統應用雙饋風力發電，在運行的時候并網輸出存在功率，消耗無功功率。該仿真系統由6 臺型號相同的放電機組合而成，每臺發電機的功率都是相同，利用數學計算軟件matlab 進行模型的搭建工作。

4.2 并網風電系統仿真分析

為了能夠詳細分析并且了解并網系統中電壓的穩定性情況，研究人員分別從110kV 的電壓到25kV 的電壓進行模擬故障分析。

（1）110kV 電壓降落分析

在110kV 的電壓情況下，15s 內將電壓下降了0.2p.u.。因為這個過程中漿距角度和內部變流器兩個部分的協調控制，電壓的輸出還是能夠基本保持穩定的，即使電壓在短時間內出現了較大的波動，一段時間后能夠恢復到原本的數值。經過50s之后，外部的實際風速超過了額定風速，系統利用自身的保護系統進行自我保護和清理，可以發現風力電場中的輸出功率瞬間消失，此時說明了風力電場已經被移除。

（2）25kV 兩側接地故障處理分析

在仿真系統中如果15s 內25kV 位置出現了故障的情況，并且兩端的位置是單相接地的情況，那么中間的電壓基本上能夠瞬間恢復。但是如果在變壓器T2 的25kV位置處出現了同樣的故障情況，兩端接地的電壓瞬間消失，同時風電場輸出口位置的電壓同樣也會出現波動性的影響，下降了大約0.1p.u.。等到15s 之后，因為發電機的速度過小，輸出電壓過小導致系統自動開啟了保護措施，此時同樣輸出電場中的實際功率消失，并且被清除出去。

5 結語

為了能夠提高并網發電機組的運行穩定性，本文通過雙饋型號的發電系統為主要研究對象，對于影響穩定性運行的主要因素進行了比較詳細和細致的分析。并且通過建立仿真數學模型的方式，發現電場中的附加控制條件對于發電機組的穩定運行具有很大的影響。