大規模雙饋風機接入對電網暫態電壓的影響

周 云，巴 宇，馬海薇，馬海濤，趙肖旭，吳 林，張 佳

(國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發電技術是目前最具前景的風力發電技術之一。雙饋風機(doubly fed induction generator，DFIG)的工作原理與傳統發電機有本質區別。隨著風電裝機容量的不斷增長，研究DFIG 對電力系統暫態電壓安全水平的影響顯得非常迫切[1-4]。

調節電網中的無功功率是一種改善節點電壓的有效方式，雙饋式風電機組因其具有解耦控制性能，能夠在穩定電網電壓和補償無功方面發揮一定的作用[5]。保證電網的安全經濟運行是電網調度面臨的一大課題，利用DFIG 風電機組補償局部電網的無功功率，實現電網精益化調度，提高新能源消納水平。通過減少機組出力、聯絡線功率，轉子側變流器暫態功角控制，等效故障電源等新視角分析DFIG，以進一步提高電網暫態安全裕度，推進風機并網的發展。

1 含風機電力系統無功電壓特性分析

DFIG在網側變流器與轉子側變流器的控制下，通過控制異步電機轉子d，q 軸電流，實現有功功率與無功功率的解耦控制，機組具備一定的無功功率調節能力。在穩態運行時，基于DFIG 的風電場可以實現與主網系統之間無功功率交換為零的運行狀態，甚至可以向主網系統提供一定的無功功率。因此，正常運行時含雙饋型異步風機的電力系統能夠維持較好的電壓水平，對區域電網的電壓穩定及靜態電壓水平有積極作用。含風機電力系統等效原理如圖1 所示。

圖1 含風機電力系統等效原理

由式(4)可以看出，電網發生故障時，系統中的電壓Ut會跌落，此時風電場發出的無功功率可以通過連接風電場的等效電抗給系統注入一定的無功功率，對系統中的電壓Ut提供支撐，節點電壓被無功功率支撐的強度隨著注入系統中無功功率的增加而變強。

從系統中無功功率平衡的角度出發，暫態過程中風電機組能夠提供的暫態無功功率能夠有效彌補系統的短時無功缺額，有效提高暫態電壓安全裕度。無功功率平衡表達式為：

電力系統中節點電壓的穩定水平主要取決于系統中無功功率水平，在電力系統暫態過程中，充分利用無功動態補償提供電壓支持，是改善電力系統穩定性的重要手段。

2 風電接入點電壓支撐規律分析

雙饋異步發電機發出的無功功率由轉子電流控制，發出或者吸收的無功功率可以在大范圍內變化，也可通過配置能量存儲設備增強DFIG 低電壓穿越能力。假設風機均具備低電壓穿越能力，在電網發生故障情況下，保持機組并網運行可以提升故障切除后系統中節點電壓的恢復速度，含雙饋異步發電機并網穩態等效電路如圖2 所示。

圖2 含雙饋異步發電機并網穩態等效電路

雙饋發電機結構與繞線轉子感應電動機相似，定、轉子均為三相對稱繞組，磁路、電路對稱，均勻氣隙分布。經過折算后，得到雙饋發電機基本方程為:

由上式可以看出，風機并網點電壓與風電場輸出電流、短路阻抗及故障點距離風電場的電氣距離相關，當風電場輸出的電流越大，故障點距離風電場的電氣距離越大或短路阻抗越大，對暫態期間并網點電壓的支撐作用越強。隨著風電滲透率的增加，風電場外送電流必然會增大，因此，理論上對并網點電壓的支撐作用也越強。

3 仿真實驗

3.1 仿真條件

為了證實該方法的有效性，采用新英格蘭39節點系統進行仿真驗證，如表1，圖3 所示。在BPA 環境下搭建含大規模風電集中接入的新英格蘭39 節點系統。仿真采用的雙饋風機模型控制方式為恒電壓控制?？紤]三相接地短路故障發生在節點m (m=5，23，28)和k (k=8，24，29)之間線路的50 %處(見圖3)，故障時長為5 周波，DFIG風電機組接入點為39 號節點。利用暫態期間風機并網點電壓的最小值判斷暫態穩定安全裕度變化。

表1 新英格蘭39 節點系統發電機出力

圖3 新英格蘭39 節點系統結構仿真

3.2 滲透率對暫態電壓安全的影響

暫態電壓穩定因子(transient voltage stability index，TVSI)為暫態期間電壓最小值與穩態時電壓值的比值。TVSI 能夠表征含風電機組電力系統在發生故障的情況下，風電機組對系統電壓的支撐效果，該值越大，說明DFIG 風電機組對電壓支撐效果越好，系統在故障切除后恢復穩定運行的速度越快。

從表2 中可以看出，仿真采用無風機接入、滲透率10 %風機接入、滲透率20 %風機接入三種情況進行計算。在穩態情況下，DFIG 風電機組并網點電壓標幺值均為1.03，在發生故障的暫態過程中，DFIG 風電機組并網點電壓隨著滲透率的提高而上升，即TVSI 值隨著滲透率的提高而增大。

表2 不同滲透率下暫態電壓穩定因子

3.3 考慮電氣距離的暫態電壓安全

考慮常規滲透率下故障點距離風機接入點的電氣距離對暫態安全裕度的影響，公共連接點(point of common coupling，PCC)選取節點39，故障發生地點分別為節點8，節點24，節點29。從表3中可以看出，節點8，節點24，節點29 距離風機并網節點39 的電氣距離呈遞增趨勢，其標幺值分別為0.002 5，0.014 6，0.082 9。

表3 故障點距離風機接入點的電氣距離

從仿真系統中不同電氣距離下暫態電壓變化可知，隨著故障發生地點距離DFIG 風電機組并網點電氣距離的增加，DFIG 風電機組并網點電壓在暫態過程中有被抬高的趨勢。從系統中無功功率平衡的角度出發，暫態過程中風電機組能夠提供的暫態無功功率能夠有效彌補系統的短時無功缺額，有效提高暫態電壓安全裕度。

4 結論

采用穩態電路模型，根據暫態過程中風電機組的恒電壓控制策略，推導雙饋風機接入新英格蘭 39 節點系統的暫態電壓安全裕度機理。

(1) 在分析雙饋風機接入系統對電網暫態電壓安全裕度影響時，應當滿足條件：雙饋風機采用恒電壓控制方式；雙饋風機具有良好的低電壓穿越特性，可認為在故障期間和故障清除后將雙饋風機作為系統無功功率源。

(2) 雙饋風機接入雙機系統后，電力系統暫態電壓安全裕度的水平與故障點距離風機接入點的電氣距離、風電滲透率等因素有關，在一定條件下可以根據判斷規則，討論風電接入對系統暫態電壓安全裕度的影響，對電網規劃、風電機組并網運行、電網調度控制具有一定的指導作用。