三相故障時雙饋風力發電機并網穩定性的改進

王棟，孫曉東

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

伴隨著全球能源危機給各國人民的緊迫感，風力發電大行其道，風力發電機及大規模大型風力發電機組在全世界各個范圍內尤其是風力資源充足的地方隨處可見，但是由于人類的需求不斷提高對電能的質量，電壓的質量等級需求隨之增加導致電網電壓的等級也跟著提高，從而引起了全世界各國電力方面的教授工程師對風電并網系統對電壓穩定的影響的研究。

1 改善雙饋風機并網穩定性的措施

1.1 優化電網網架結構

雙饋風機的機械參數是雙饋風機系統穩定性的影響因素之一，同時，電網的網架結構也是其重要的制約因素。而風電并網系統穩定性受到保障的前提是具有足夠堅強穩定的網架結構和充足的無功功率。

1.2 善風電機組的運行頻率

風電機組的運行頻率一般會在一個合適的范圍內波動。雙饋風機穩定運行的一個重要的前提是頻率不超過規定的范圍。一旦故障發生擾動時，無功功率的變化會影響電壓產生波動，進而導致風電機組的頻率降低到規定的范圍內，會導致風電系統退出并網影響電網的穩定運行[1]。因此，改善風電機組的運行頻率是雙饋風機并網系統發生故障后改善其穩定性的重要措施之一。

1.3 提高電網低電壓穿越能力

當發生故障擾動時，會發生電壓驟降，導致風力發電機莊子電流部分過高，若不采用有效的調控措施，就會使電壓持續上升，產生電流和功率的波動，嚴重影響變流器的正常運行，甚至產生系統的振蕩[2]。而電力系統的低電壓穿越能力可以很好的解決這個問題，保障并網系統的運行穩定。

風電場的低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Though,LVRT）是指當電力系統發生故障或者擾動時，導致電壓驟降，但是在降落的范圍內，風電機組能夠不發生脫網并且能夠持續運行。我國對風電場低電壓穿越的要求為風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保持并網運行625ms的低電壓穿越能力以及風電場的并網點電壓在發生跌落2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場的風電機組能夠保證不脫網連續運行[3]。因此針對上述的要求，在模型的搭建中，在雙饋風機機組中加入低壓保護裝置，若并網系統受到各類故障擾動時，在風電場出口電壓低于0.75（pu）超過0.2s后，低壓保護裝置就會啟動，使雙饋風電機組發生脫網。

1.4 加強系統無功補償

當雙饋風電并網系統受到各類故障擾動時，要想保持電壓的穩定性，關鍵就是要保障系統具有充足的無功補償，即可以通過加裝無功補償裝置來達到目的[4]。同時，雙饋風機轉速也是系統穩定運行的影響因素之一，轉速的大小會影響無功補償的效果。而使用無功補償裝置相比較于傳統的并聯電容器補償的方式，調節更加平滑，受到外部的限制更少，反應速度更快，效果也更加的明顯[5]。

而無功補償裝置中比較有代表性的是靜止無功補償器（SVC）以及靜止同步補償器（STATCOM），其可以將無功功率平滑穩定地注入電網中，同時這兩者具有實時性，可以在無功功率降低的瞬間進行補償，從而恢復原有的狀態。

綜上所訴，STATCOM與現有的SVC相比較，他的運行范圍更大，具有更快的調節速度，不間斷的吸收無功，產生更小的諧波電流，更低的損耗以及更加方便安裝的特點。但是這些都是理論上的依據，具體的采用何種無功補償裝置要看在故障時的具體情況。

2 加裝無功補償裝置的風電并網系統的穩定性仿真分析

2.1 雙饋風機的數學模型

2.1.1 電壓方程

定子繞組電壓方程：

轉子繞組方程：

式中：usd,usq,urd,urq——定，轉子電壓d軸，q軸分量；

isd,,isq,ird,irq——定，轉子電流d軸和q軸分量；

ω1—―同步旋轉角速度；

ωr—―轉子旋轉角速度；

2.1.2 磁鏈方程

定子磁鏈方程：

轉子磁鏈方程：

式中：Ψsd,Ψsq,Ψrd,Ψrq——定子及轉子在 d軸和 q軸上的磁鏈分量；

L1s,L1r——定、轉子繞組一次諧波自感；

Lms,Lmr——定、轉子繞組高次諧波自感；

Lm——定、轉子繞組同軸的互感；

Ls——定子的自感；

Lr——兩相轉子繞組的自感。

2.1.3 轉矩方程及運動方程

轉矩方程：

運動方程：

式中 ：np——匝數 ；

TL——負載轉矩；

Te——電動機產生的轉矩；

J——轉動慣量。

2.2 系統參數

下面是對電路圖具體參數的描述：給定電網電壓為120KV，這里采用的是6臺風力機6*1.5MW,傳輸線路分為10KM和20KM的兩端，正序阻抗為0.1153Ω/Km和413Ω/Km，為575V的風機經過線路接入一575V/25KV的升壓變壓器，再經過10Km的線路接到一25KV/120KV的升壓變壓器中，最后并入電網。

2.3 三相故障時的無功補償仿真

根據前文所述理論，對無功補償補償效果進行仿真分析。

設定恒定風速為8m/s,在5s，25KV處發生三相故障，5.15s時切除故障，總共運行時間為20s。圖1是加入SVC補償的效果，由圖可看出在5s時發生電壓驟降，在5.4s時電壓逐漸恢復穩定。

圖1 加入SVC后的仿真波形

從圖2可以看出雖然加入STATCOM后故障時間未變但是穩定的時間提前，在5.2 s時，電壓趨向于穩定。

圖2 加入STATCOM的仿真波形

3 結束語

文中在Matlab平臺搭建了雙饋風力發電系統并網的仿真模型，分析了其主電路結構。根據仿真分析，提出改善雙饋風機并網穩定性的措施，包括提高電網低電壓穿越能力，改善風電機組的運行頻率以及著重介紹了加裝無功補償裝置來提高電力系統穩定性的方法。通過仿真比較得出結論STATCOM（靜止同步補償器）在提升風電并網電力系統穩定性比SVC靜態無功補償器方面有更好的效果。