風電并網的電壓穩定性分析與研究

曾新紅 王德琴 林貴鋒

到世界各國的青睞。但隨著大規模的風電場并入電網，風能的隨機性和間歇性也給電網的穩定性帶來了沖擊，因此，研究風電并網的電壓穩定性對風電并網的安全運行有著非常重要的意義。本文以雙饋異步發電機為例，通過MATLAB仿真，研究虛擬慣量控制、阻尼控制對電壓頻率穩定性的影響。

關鍵詞：風電并網；穩定性；虛擬慣性；阻尼控制

中圖分類號：TM614??文獻標識碼：A

Abstract：Wind?energy，as?a?pollutionfree?clean?energy，has?been?favored?by?countries?around?the?world?in?recent?years.However，with?the?integration?of?largescale?wind?farms?into?the?power?grid，the?randomness?and?intermittency?of?wind?energy?also?bring?impact?to?the?stability?of?the?power?grid.Therefore，studying?the?voltage?stability?of?wind?power?gridconnection?has?a?very?important?significance?for?the?safe?operation?of?wind?power?gridconnection.In?this?paper，the?influence?of?virtual?inertia?control?and?damping?control?on?voltage?frequency?stability?is?studied?by?MATLAB?simulation.

Keywords：wind?power?integration；stability；virtual?inertia；damping?control

風能作為一種無污染可再生能源，風能的開發引起了世界各國的重視。根據國家能源局統計，截至2022年11月底，中國累計風電發電裝機容量約35096萬千瓦，風能占比逐年提升。對于含風電場的電力系統而言，由于風速的不穩定，導致風電場的出力波動及其本身的無功特性是引起電網電壓波動的主要影響因素之一［4］。風能會給電力系統電壓穩定性帶來很大影響，因此對風電場并網的電壓的穩定性分析有其重要意義。文獻［1］提出將統一相間功率控制器（unified?interphase?power?controller，UIPC）和靜止同步補償器（static?synchronous?compensator，STATCOM）聯合應用于風電并網系統中，以改善電網電壓穩定性，通過這種方法能較好地改善電力系統電壓的暫態穩定性。文獻［2］通過對異步風力發電機組（asynchronous?wind?turbine，AWT）和雙饋異步風力發電機組（doublyfed?induction?generator，DFIG）接入電網的不同比例進行分析，說明不同機組接入電網對電網的電壓穩定性影響很大，使用雙饋風力機組可以提高電網電壓的暫態穩定性。文獻［3］通過采用新型風力機組（前端調速式風電機組），采用分叉方法對系統進行分析，得出風速對系統并網穩定運行區域的影響，從而達到更好地控制風電機組的目的。本文以雙饋異步發電機為例，通過MATLAB仿真，研究虛擬慣量控制、阻尼控制對電壓頻率穩定性的影響，對大規模風電并網的電壓穩定性提供一定的參考依據。

一、基于虛擬慣性的雙饋風力發電機組建模與控制

變速恒頻雙饋異步發電機由于其調速容易、控制方法靈活、易于實現等優點，成為當今的主流機型。在傳統電網中，發電廠的同步發電機為電網提供了大量的機械慣量以及足夠的備用容量，而雙饋風力發電機通過變頻器與電網連接，轉速與電網頻率解耦，使得其缺乏機械慣量，未能像同步發電機一樣響應系統產生的頻率變化。因此，大量風電機組并網將會使電力系統機械慣量減少，降低電力系統頻率的穩定性。為了改善機械慣量減少導致電網頻率穩定性降低，虛擬慣量的概念被提出，虛擬慣量的提出為風電并網的頻率響應提供了一種實現方案，其控制策略能有效緩解頻率的不穩定性。通過結合逆變器與虛擬慣量控制算法，當電網系統頻率突變時，通過快速的功率控制向系統瞬時注入或吸收突變的有功，然后通過控制轉速變化釋放或吸收風力機及發電機轉子動能［9］，可以達到類似同步發電機調頻調壓的作用。DFIG的定子和轉子電壓方程在同步旋轉DQ坐標系下，可用公式表示［7］：

vsd=Rsisd+ψsd·-ωsψsq，vsq=Rsisq+ψsq·+ωsψsd（1）

vrd=Rrird+ψrd·-ωslψrq，vrq=Rrirq+ψrq·+ωslψrd（2）

式中：vsd、vsq、vrd、vrq分別為定子、轉子d、q軸電壓分量；isd、isq、ird、irq分別為定子d、q軸電流分量；Rs和Rr分別為定子電阻和轉子電阻；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定子、轉子的d、q軸磁鏈分量；ωsl為滑差角速度，ωsl=ωs-ωr。ωs、ωr分別為同步速和轉子速度。磁鏈方程為［7］：

ψsd=Lsisd+Lmird，ψsq=Lsisq+Lmirq（3）

ψrd=Lmisd+Lrird，ψrq=Lmisq+Lrirq（4）

式中：Ls=Lσs+Lm；Lr=Lσr+Lm；Ls、Lr分別為定子、轉子繞組自感，Lσs、Lσr分別為定子、轉子繞組漏感，Lm是互感。

當電網頻率變化時，變速風力發電機組的轉子運動方程可表示為［9］：

Pwind-Pem=Jwωrdωrp2wdt（5）

其中Pwind、Pem、Jw、pw分別為變速風電機組的機械功率、電磁功率、固有慣量和磁極對數。

風力發電機組的旋轉動能Ekwind可表示為：

Ekwind=∫（Pwind-Pem）dt=∫Jwωrdωrωedωe×ωedωep2wdtdt

=∫Jrωep2wdωe=12Jr（ωepw）2（6）

其中：Jr=Jwωrdωrωedωe為虛擬慣量;ωe為同步發電機的電角速度。

雙饋風電機組的軸系上傳輸功率的變化可以表示為：

ΔPem=-Jrωrdωep2wdt（7）

因此，可以通過對其輸出功率的控制，實現風電機組對系統頻率的虛擬慣性控制需求［6］。通過有功附加控制，換流器可提供短時的功率支撐，保障電網的頻率穩定。如圖1所示，將電網頻率或其發電機的角速度作為輸入信號，經過測量和微分運算控制環節，將附加控制信號Pr*疊加在風力發電機組的最大功率跟蹤控制之上，在電網遭受干擾時，機組能快速調節有功輸出，模擬變速風力發電機組的慣性響應［5］。該附加慣性控制的輸出信號Pr可表示為［9］：

Pr=-fKdfdt（8）

其中：K為微分控制的比例系數；f為電網頻率。

二、阻尼控制

阻尼控制是通過在雙饋發電機勵磁調節中增加電力系統穩定器（PSS）來實現。勵磁風力發電系統（WPGS）的阻尼控制器原理圖如圖2所示，采用經典的雙環向量控制方案［7］來控制WPGS的RSC。對于RSC的內部電流控制回路，采用PI調節器加補償項來控制轉子電流ird，irq并產生控制信號vrd，vrq。對于RSC外部控制回路，采用有功功率Ps和無功功率Qs。

輸出轉子電流參考值i*rd，i*rq，WPGS的定子有功功率和無功功率由下式獲得

Ps=-1.5（vsdisd+vsqisq）（9）

Qs=-1.5（vsqisd+vsdisq）（10）

針對RSC的有功和無功功率控制回路增加阻尼控制器。該阻尼控制器由濾波器、相位補償、增益和飽和度［8］組成，表達式如下：

ui（s）=Ki11+sTisTwi1+sTwiyc（s）（11）

此處u1=ΔPs是有功功率阻尼控制輸出，u2=ΔQs是無功功率阻尼控制輸出，ki是增益系數，Ti是相位補償的時間常數，Twi是濾波器的時間常數。ΔPsmax和ΔPsmin分別為ΔP的最大值和最小值，ΔQsmax和ΔQsmin分別為ΔQ的最大值和最小值，s是拉普拉斯算子。ω1c為阻尼控制器的轉速反饋信號。轉子電流ird和irq作為反饋信號并用于計算補償項ΔRD、ΔRQ參考文獻［10］。

Δrd=ωslσrLrirq-ωslLmvsdω-1sL-1s（12）

Δrq=-ωslσrLrird-ωslLmvsqω-1sL-1s（13）

式中：σr=1-L2mLsLr。

三、仿真分析

在Matlab/Simulink境下分別建立風力發電系統的虛擬慣量控制與阻尼控制的仿真模型，系統模型結構如圖3所示。風力發電機參數如下：額定功率Pn1=1.5MW，額定電壓Vn1=575V，額定頻率為fn1=60Hz，額定風速vt=11m/s.定子電阻Rs=0.023p.u.，轉子電阻Rr=0.016p.u.，定子漏電感Lls=0.18p.u.，轉子漏電感Llr=0.16p.u.，互感Lm=2.9p.u.。有功和無功功率阻尼控制中參數設K1=K2=200，T1=T2=0.02，Tw1=Tw2=2，ΔPsmin=ΔQsmin=-0.3，ΔPsmax=ΔQsmax=0.3。

分別在3秒處將11m/s風速降至9m/s風速，在6秒處增加相同負載和在10秒處減少相同負載。風速改變時，仿真結果如圖4所示。

無慣性支持控制和采用虛擬慣量控制，變速風電機組的調頻能力均受到風速的隨機波動特性的影響，無慣性支持控制頻率受影響較大。采用阻尼控制，風速的變化對其影響很小，頻率穩定性很好，有功無功阻尼協調控制比僅有功阻尼控制頻率穩定性更好。

負載改變時，增加相同負載時，仿真結果如圖5所示；減少相同負載時，仿真結果圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，采用虛擬慣性控制在負載突增和突減時，對頻率有一定的支撐作用，虛擬慣量控制的頻率跌落與躍升幅度最小，但也受到微分比例系數的影響，在系統頻率恢復過程中出現功率的波動，從而造成頻率的二次擾動。采用阻尼控制風速的變化對頻率的穩定性較好，但當負載突變時，頻率的波動較大。有功無功協調阻尼控制比僅有功阻尼控制的效果好。

結語

雙饋發電機組上述控制方式中，虛擬慣性控制能有效減小負載突變后電壓頻率的變化幅度，對頻率有一定的支撐作用，阻尼控制能有效抑制風速變化對電網頻率的擾動。因此，雙饋發電機組如結合虛擬慣性控制與阻尼控制，會對電網頻率的穩定性有較好的作用效果。

參考文獻：

［1］董光睿，李浩寧，郭浩.UIPC與STATCOM聯合改善風電并網系統電壓穩定性［J］.電測與儀表，2020（17）：5258.

［2］李自明，姚秀萍，王海云.不同風電機組并網對電力系統暫態電壓穩定性的影響［J］.電力科學與技術學報，2016，31（2）：1621.

［3］李宏偉，任凱德，李帥兵，等.新型風電機組并網電壓的穩定性分析［J］.蘭州交通大學學報，2020，6：5459.

［4］李超鋒.混合風電場并網電壓穩定性研究［D］.蘭州理工大學，2020.

［5］張祥宇.變速風電機組的虛擬慣性與系統阻尼控制研究［D］.華北電力大學，2013.

［6］張志恒，王毅，李和明，等.基于虛擬慣量的雙饋風電機組慣性控制方式研究［J］.現代電力，2013（6）：4750.

［7］K.S.Xiahou，Y.Liu，M.S.Li，et?al.“Sensor?faulttolerant?control?of?DFIG?based?wind?energy?conversion?systems，”International?Journal?of?Electrical?Power?&?Energy?Systems，vol.117，pp.105?563105?577，2020.

［8］K.Liao，Z.He，Y.Xu，et?al.A?sliding?mode?based?damping?control?of?DFIG?for?interarea?power?oscillations.IEEE?Transactions?on?Sustainable?Energy，2016：258267.

［9］王毅，朱曉榮，趙書強.風力發電系統的建模與仿真［M］.中國水利水電出版社，2015.

［10］Yang?Z，Chai?Y.A?survey?of?fault?diagnosis?for?onshore?gridconnected?converter?in?wind?energy?conversion?systems.Renew?Sustain?Energy?Rev，2016，66：34559.

基金項目：大學生創新創業項目：C2206001240；C2301002787

作者簡介：曾新紅（1976—?），女，漢族，廣東興寧人，碩士研究生，副教授，主要從事控制電機及其應用、電機學、電氣控制與PLC、風電場等的教學與研究工作，研究方向：電氣工程及其自動化。