含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究

第39卷第13期2011年7月1日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLV_0139NO13JULY1，2011含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究李辉，赵斌，史旭阳3王荷生，杨超1重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044；2四川电力职业技术学院，四川成都610072；3郑州供电公司，河南郑州450006摘要随着大容量风电场集中接入电网，有必要研究含不同风电机组参数和类型的风电场暂态特性及对电网的影响。在分析笼型异步和双馈异步风电机组暂态模型的基础上，分别建立了含不同风电机组的风电场容量加权等值模型。从风电机组不同容量比、风电场不同短路容量比以及电网联络线不同阻抗比角度，对含不同风电机组的风电场暂态运行特性进行仿真。仿真结果表明在电网接受风能容量一定的条件下，双馈异步风电机组装机容量比例提高以及风电场短路容量比和联络线阻抗比的降低，都可以提高和改善风电场出口处电压和机组的暂态稳定性。关键词风力发电；风电场；笼型异步发电机；双馈发电机；暂态特性SIMULATIONSTUDYONTHETRANSIENTOPERATIONALPERFORMANCESOFAWINDFARMINCLUDINGDIFFERENTWINDTURBINEGENERATORSYSTEMSLIHUI，ZHAOBIN，SHIXUYANG3，WANGHESHENG，YANGCHAO1STATEKEYLABORATORYOFPOWERTRANSMISSIONEQUIPMENTSYSTEMSECURITYANDNEWTECHNOLOGY，CHONGQINGUNIVERSITY，CHONGQING400044，CHINA；2SICHUANELECTRICVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGE，CHENGDU610072，CHINA；3ZHENGZHOUPOWERSUPPLYCOMPANY，ZHENGZHOU450006，CHINAABSTRACTWITL1THEDEVELOPMENTENDSOFTHELARGESCALEWINDFARMSBEINGINTEGRATEDINTOPOWERSYSTEMSCONCENTRATEDLYITISNECESSARYTOSTUDYTHETRANSIENTPERFORMANCESANDTHEEFFECTSONTHEPOWERSYSTEMFORAWINDFARMINCLUDINGDIFFERENTPARAMETERSANDTYPESOFWINDTURBINEGENERATORSYSTEMSWTGSBASEDONANALYZINGTHETRANSIENTMODELSOFTHEWINDTURBINEUNITSWITHSQUIRRELCAGEINDUCTIONGENERMORSCIGANDDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIG1，THEWEIGHTEDEQUIVALENTMODELSOFTHEPRESENTEDWINDFARMAREESTABLISHEDTHEN，FROMTHEVIEWPOINTSOFDIFFERENTCAPACITYRMIOOFWINDTURBINES，DIFFERENTSHORTCIRCUITCAPACITYRATIOOFWINDFARMANDDIFFERENTTRANSMISSIONLINEIMPEDANCERATIO，THETRANSIENTOPERATIONALCHARACTERISTICSOFTHEWINDFARMWITHDIFRERENTWTGSARESIMULATEDTHECOMPARISONRESULTSSHOWTHATUNDERTHECONDITIONOFACONSTANTPENETRATIONOFWINDGENERATIONINPOWERSYSTEM，WITHTHEINCREASEOFTHECAPACITYRATIOOFTHEWINDTURBINEUNITSWITHDFIGINTHEWINDFARM，WITHTHEDECREASEOFTHESHORTCIRCUITCAPACITYRMIOOFTHEWINDFARMANDTHETRANSMISSIONLINEIMPEDANCERATIO，THETRANSIENTSTABILITYOFWINDFARMOUTPUTVOLTAGEANDTHEWTGSCANBEIMPROVEDTHISWERKISSUPPORTEDBVNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINANO50607022KEYWORDSWINDPOWER；WINDFARM；SQUIRRELCAGEINDUCTIONGENERATOR；DOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR；TRANSIENTPERFORMANCE中图分类号TM74文献标识码A文章编号16743415201113000107O引言随着并网风力发电机组的单机容量日益增大，以及大型风电场尤其是海上风电场的规划、建设和基金项目国家自然科学基金项目50607022；输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目2007DA1051271O1O1运行，风电场将成为电力系统的重要组成部分，使得大规模风电接入后对电网的动、暂态稳定将产生显著的影响。考虑到国内外已经投产运行的风电场中，不仅包括笼型异步风电机组的风电场和双馈异步风电机组的风电场，还包括由不同风电机组并联运行的风电场，如丹麦的RONLAND风场，由4台2_3MW笼型异步风电机组和4台2MW双馈异步风电机组构成【2J，不同风电机组对电网的动、暂态电力系统保护与控制的作用和影响可能不同，因此研究含不同风电机组风电场的暂态运行特性及对电网的影响具有重要的现实意义。目前，大容量风电场接入电网的暂态稳定性研究已引起国内外学者和工程界的广泛关注。文献34】分别对单台笼型异步风电机组和双馈异步风电机组的暂态模型及其暂态稳定性进行了深入的研究。文献581在对风电场进行等值建模的基础上，分析了仅含笼型异步风电机组风电场的并网特性和暂态稳定性。文献9对仅含双馈异步发电机组的风电场与电网之间的相互影响进行分析。文献10建立了双馈风电场的仿真模型，并分析了其三相电网短路故障的暂态特性。文献11利用参数辨识法建立了双馈风电场的模型，并对其接入电网的潮流和短路容量等情况进行了仿真研究。然而上述文献大多涉及单台风电机组或单一类型风电场的暂态特性问题的研究。尽管文献1215分别建立了笼型异步和双馈异步的风电场模型，对比分析了不同风电机组构成风电场的暂态稳定性，但是研究的对象大都是风电场内机组参数完全相同的情况，并且大都侧重于不同风电场类型的暂态特性比较，对风电场处出口电压的影响很少涉及。因此，对含不同风电机组构成的风电场以及同类型机组不同参数情况下的暂态特性以及其对电网的暂态稳定性影响还有待完善和深入研究。基于此，本文在分析笼型异步和双馈异步风电机组的动态模型的基础上，采用容量加权方法对含笼型异步风电机组和双馈异步风电机组的风电场进行等值建模，并以含不同风电机组且同类型机组参数不完全相同的风电场为例，从不同类型风电机组所占容量比、不同风电场的短路容量比以及电网联络线阻抗比的角度对风电场的暂态运行特性及其对电网的影响进行仿真研究和对比分析。1并网风力发电机组数学模型本文采用的并网笼型异步和双馈异步风电机组的典型连接结构示意图如图1和图2所示。下面重点对风力机传动链模型和发电机组的数学模型进行介绍。图1并网笼型异步风力发电机组连接示意图FIE1CONFIGURATIONOFAGRIDCONNECTEDSCIGWINDTURBINE图2并网双馈异步风力发电机组连接示意图FIG2CONFIGURATIONOFAGRIDCONNECTEDDFIGWINDTURBINE11风力机输出特性模型风力机的风能由叶片捕获，它通过齿轮箱传递给发电机。由风力驱动产生的机械能可以用空气动力学原理计算得到【3J1IMPACP2，F1V3W1二式中P为空气密度KGM；A为叶片扫过的面积M；CN，为风能利用系数；为叶尖速比；为叶片桨距角；V为风速MS。12风力机传动链模型由于齿轮箱的存在，使得异步风电机组的传动轴系存在很大的柔性，考虑传动轴系的柔性影响因素，将风力机和发电机转子分别等效为一个质量块，其运动方程为L4J2一一一一DWOWD22HS一一一DGD，、一式中风、为风力机和发电机转子含齿轮箱的惯性时间常数；09W、为风力机和发电机转子的电角速度；COO2，为系统电角速度基值；为风力机相对于发电机转子的角位移；D为风力机和发电机之间的阻尼系数；D、D9分别为风力机和发电机转子自身的阻尼系数；为传动轴系的刚度系数。13笼型异步发电机模型考虑定、转子磁链的电磁暂态，以电流和转子电动势为状态变量的笼型异步发电机电磁暂态模型为【，】寺等豫1一JO一0寺TSX峨1幸一3一一一X3I晦晦一一一李辉，等含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究3式中。；XOSLS。一；去；一警；等其中R、R为定、转子电阻；为转差率；。为定子电角频率；L。、L分别为定、转子全自感；为定、转子互感；PDDT为微分算子。发电机的电磁转矩REFSDFS414双馈异步发电机模型当定、转子均采用电动机惯例时，双馈异步发电机在同步旋转坐标系下的电压方程为4,101I。DRADD一QJSQFSQQ十DFLRD足一【足FRQPGRQSCOSRD磁链方程为IDTFSDLMLRDFSQLSSQ“LMFSDIRQ6LFSD【厶FRQLJS式中、I、R、L分别为绕组的电压、磁链、电流、OGNU电感；下标S、R分别代表电机的定子量和转子量；下标D、Q分别代表电机的D、Q轴分量。电磁转矩的表达式为REHPLM1。SQRDLSDLRQ72风电场暂态运行特性仿真研究图3为某个含不同风电机组的风电场与无穷大电力系统连接的示意图。其中系统的短路容量为1000MVA，联络线阻抗比XR2。风电场中第一排机组为3MW双馈风电机组，第二排机组为2MW双馈风电机组，二者构成双馈风电场。第三排机组为3MW笼型异步风电机组，第四排机组为2MW笼型异步风电机组，二者构成笼型异步风电场，上述不同风电机组经过各自变压器升压后，通过双回输电线路向电网输送功率。不同风电机组的主要电气参数见附录。风电场中双馈风电机组控制策略为低于额定转速以下采用功率闭环的最大风能捕获策略，高于额定转速以上则采用变桨控制策略，而双馈发电机功率则采用基于电网定向功率解耦策略实现钔。对于异步风电机组则采取主动失速进行控制，即当异步风电组输出功率达到额定功率时则启动其变桨控制策。2MWSCIG图3含不同风电机组风电场与电力系统连接示意图FIG3SCHEMATICOFAWINDFARMCONTAININGVARIOUSWINDTURBINEGENERATORSCONNECTEDTOTHEGRID考虑本文的研究侧重于电网故障下对含不同风电场的暂态运行特性作用，因此，针对所有风力发电机组都通过出口变压器接于同一母线，并忽略风电场的风速分布和内电网的功率损耗情况下可以选择容量加权方法进行风电场等值建模11,161。其中，不同风电场容量加权单机等值原则为LJBJ一，尸M，8SSI。式中为风电场内第F台风电机组的容量；XI表示风电场内第I台风电机电气某一参数；下标AGG表示风电场的等值模型参数。含不同风电机组的风电场采用等值建模后，其连接示意图如图4所示。等值后主要参数如表L所示。图4等值后的风电场与电力系统连接示意图FIG4SCHEMATICOFAWINDFARMUSINGEQUIVALENTMODELSCONNECTEDTOTHEGRID21风电场不同容量比的仿真分析风电场并入电力系统后，当不同类型风电机组容量的比例分配不同时，其与电力系统之间的相互影响可能不同。为了分析不同容量比例的风电场暂态运行特性，在下列仿真中假定电网接受风电容量一定，即风电场总容量为100MW。风电场初始稳定运行在额定工况，在T5S时在风电场出口处突然发生三相对称短路故障，在T51S切除故障，故障4电力系统保护与控制持续时问为01S。当笼型异步风电场和双馈风电场不同容量比例并联运行时，电网故障下风电场出口处暂态运行特性的仿真结果如图5所示。表1风电场单机等值参数TAB1PARAMETERSOFANEQUIVALENTSINGLEWINDFARMA风电场出L_J有功功率响应曲线0B风电场出口电压响应曲线图5不同容量比例下风电场出口处的暂态特性FIG5TRANSIENTPERFORMANCESOFDIFFERENTCAPABILITIESWITHAMIXEDWINDFARM图5中25SCIG表示笼型异步风电场的容量占风电场总容量的2525MW，而双馈风电场的容量则占风电场总容量的7575MW。50SCIG和75SCIG依次类推。从图5中可以看出风电场在电网故障后，其出口处有功功率和母线电压均能恢复至原来稳定时的水平。随着笼型异步风电场装机容量比例的升高，风电场出口处的有功功率和母线电压会出现更大的振荡，暂态过渡时间更长；故障切除后，随着笼型异步风电场容量的增加，而母线电压却随之下降。这是由于当电网发生短路故障期间，双馈风电场实现了有功功率和无功功率的控制，减少了磁场重建过程中所造成的电网冲击电流，使双馈风力发电机出口电压能够快速恢复并且减小发电机出口电压的振荡。随着双馈风电场容量的增加，故障期间及故障切除后风电场的暂态特性将会有所改善。而笼型异步风电场没有控制无功和电压的能力，在故障切除后它需要从电网吸收大量的无功功率，在风电场和其相连变电站的联络线上产生很大的电压降，从而进一步降低了风电场出口处的电压和其恢复速度。因此，在风电场装机容量一定的条件下，随着笼型异步风电场容量的增加，故障期间及故障切除后风电场的暂态特性将变差。22风电场不同短路容量比时的仿真分析风电场的短路容量比SHORTCIRCUITRATIO，SCR是指风电场的额定容量与其和电力系统的连接点POINTOFCOMMONCONNECTION，PCC的短路容量SHORTCIRCUITCAPACITY，SCC之间的比值。它常用来表征电力系统中风力发电的规模大小【1，即TNSCR1O09SCC式中，EWID为风电场的额定容量。本节选取不同风电机组各占50容量比例的风电场及21节中故障初始条件，改变SCC的大小以改变风电场短路容量LLSCR，在风电场出口故障下的暂态运行特性的仿真结果如图6所示。TSFA风电场出口电压响应曲线李辉，等含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究5邑匿J蠼副TSB双馈风电场等值发电机转速TFSC笼型异步风电场等值发电机转速图6不同短路容量比下风电场的暂态特性FIG6TRANSIENTPERFORMANCESOFAMIXEDWINDFARMWITHDIFFERENTSCR由图6A可以看出在故障期间及故障切除后，当风电场的短路容量比CR从L03O不断增大时，风电场出口电压会下降，调节时间会变长，当故障切除后电压能恢复到故障前的稳定运行状态。当SCR增加至45时，故障期问风电场出口电压骤降，故障切除后，风电场电压持续低于06PU，无法恢复，电压失稳，风电机组不能持续运行并且可能危及到接入电网的稳定性。这是由于风电场的短路容量比越大，接入电网结构越弱，其为风电场提供的激磁电流的能力也越弱。在短路容量比超过某个临界点后，风电场将导致电压不稳定。此外，从图6B和图6C可以看出SCR从1030变化时笼型异步风电场受到的影响比双馈风电场要大。当SCR增至45时，笼型异步风电场的等值发电机转速迅速上升，使得笼型异步风电场失去稳定；双馈风电场的等值发电机转速从12PU上升至122PU，并稳定运行这一新的状态下。这是由于笼型异步风电场需要从电网吸收无功，当电网无功支持不足时，笼型异步风电场将失稳；而双馈风电场实现了有功和无功的解耦控制，电网无功支持不足对其影响不大。因此双馈风电场相对于笼型异步风电场在变化期间的稳定性较好。23不同联络线阻抗比时的仿真分析风电场通常远离负荷中心，这使得风电场的暂态特性与电网之间的联络线参数有很大关系。风电场经过外电抗变压器和线路与电网相连。电网可以简化为等值电源与等值阻抗。本节将电力系统中110KV以上电压等级的电网简化为等值电源与等值电抗。等值阻抗一般用联络线参的比值来表示。不同的联络线参数尺对应不同的传输线，如不同电压等级的架空线路和电缆等，它可用来表示风电场与电网联系的紧密程度【】引。选取不同风电机组各占50容量比例的风电场及21节中故障初始条件，在风电场的短路容量保持不变的情况下，联络线参数分别取2、4、6时，在电网故障下风电场出口的暂态运行特性仿真曲线如图7所示。由图7A可以看出当联络线参比值为2和4时，风电场出口电压在三相短路故障切除后风电场能恢复到原来的运行状态，风电场内的发电机组运行于稳定的状态；而当6时，风电场出口TSA风电场出口电压响应曲线TSB双馈风电场等值发电机转速电力系统保护与控制C笼异步风电场等值发电机转速图7不同联络线比值时风电场的暂态特性FIG7TRANSIENTPERFORMANCESOFAMIXEDWINDFARMWITHDIFFERENTX|RRATIOS电压持续低于06PU，无法恢复到故障前的状态，电压失去了稳定性，风电机组不能持续运行并且可能危及到接入电网的稳定性。且随着的增加，由于电抗值的增加，会导致联络线上的电压降落增大，风电场出口电压水平下降，故障切除后的调节时间会变长。从图7B和图7C可以看出联络线参数XR比值从26变化时笼型异步风电场受到的影响比双馈风电场要大。当XR的比值增至6时，笼型异步风电场等值发电机的转速持续升高，笼型异步风电场失去稳定；双馈风电场等值发电机的转速从12PU_L升至1213PU，并稳定运行。因此双馈风电场相对于笼型异步风电场在尺增大期间的稳定性更好。3结论为了研究包含笼型异步风电机组和双馈异步风电机组风电场的暂态运行特性，本文在分析不同风电机组的动态模型的基础上，以风电场内机组参数不完全相同为例，建立了容量加权的风电场等值模型，并从风电机组不同容量比、风电场的短路容量比以及电网联络线阻抗比的角度对风电场的暂态运行特性及其对电网的影响进行了深入的研究。研究结果表明在电网接受一定容量比例风电的条件下，随着风电场中笼型风电场的装机容量比例的降低，即双馈异步风电机组容量的增加，故障期间及故障切除后风电场的暂态稳定性将有所提高。此外，随着短路容量比和联络线参数XR的减少，风电场出口电压的暂态稳定性将有所提高；并且在此条件下双馈风电场相对于笼型异步风电场的暂态运行特性表现的更好。上述结论将为含风电场的电力系统稳定性分析奠定基础。附录13MW笼型异步风力发电机组主要参数风力机参数惯性常数风454S；传动轴系刚度系数03PUE1RAD。发电机参数额定功率3MW；额定电压690V，频率50HZ；定子电阻0004843PU；定子电抗01248PU；转子电阻R0004347PU；转子漏感01791PU；激磁电抗677PU；机组惯性常数05S。22MW笼型异步风力发电机组主要参数风力机参数惯性常数H3S；传动轴系刚度系数0_3PUE1RAD。发电机参数额定功率2MW；额定电压690V，频率50HZ；定子电阻。0007PU定子电抗XS01331PU；转子电阻RO0079PU；转子漏感01434PU；激磁电抗5692PU；机组惯性常数05S。33MW双馈异步风力发电机组参数风力机参数惯性常数巩454S；传动轴系刚度系数O_3PUE1RAD。发电机参数额定功率3MW；额定电压690V，频率50HZ；定子电阻R。000706PU；定子电抗0171PU；转子电阻R0005PU；转子漏感0156PU；激磁电抗29PU；机组惯性常数05S。42MW双馈异步风力发电机组参数风力机参数惯性常数风25S；传动轴系刚度系数03PUE1RAD。发电机参数额定功率2MW；额定电压690V，频率50HZ；定子电阻。00108PU定子电抗0102PU；转子电阻R00121PU；转子漏感011PU；激磁电抗XM3362PU；机组惯性常数05S。参考文献1CHENZISSUESOFCONNECTINGWINDFARMSINTOPOWERSYSTEMSC2005IEEEPESTRANSMISSIONANDDISTRIBUTIONCONFERENCEEXHIBITIONASIAANDPACIFIC，DALIAN，CHINA，2005，AUGUST2AKHMATOVV，NIELSENAHFIXEDSPEEDACTIVESTALLWIND李辉，等含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究7TURBINESINOFFSHOREAPPLICATIONSJEUROPEANTRANSONELECTRICALPOWER，2005，151123赵斌，李辉，韩力并网异步风力发电机组模型及参数对其暂态稳定性的影ILLHJ太阳能学报，2008，291012831288ZHA0BIN，LIHUI，HANLIINFLUENCEOFMODELSANDPARAMETERSONTRANSIENTSTABILITYOFGRIDCONNECTEDASYNCHRONIZEDWINDPOWERGENERATIONUNITSJACTAENERGIAESOLARISSINICA，2008，2910128312884李辉，叶仁杰，高强，等传动链模型参数对双馈风电机组暂态性能影响J1电机与控制学报，2010，1432430LIHUI，YERENJIE，GAGQIANG，ETA1INFLUENCEOFMODELSANDPARAMETERSONTRANSIENTPERFOFINANCESOFAWINDTURBINEWITHDFIGJELECTRICMACHINESANDCONTROL，2010，14324305TRUDNOWSKIDJ，GENTILEA，KHANJM，ETALFIXEDSPEEDWINDGENERATORANDWINDPARKMODELINGFORTRANSIENTSTABILITYSTUDIESJIEEETRANSACTIONSONPOWERSYSTEMS，2004，194191119L76范高峰，赵海翔，王伟胜，等基于恒速风电机组的风电场并网过程仿真J1电网技术，2007，31142023FANGAGFENG，ZHAOHAIXIANG，WANGWEISHENG，ETA1SIMULATIONANDANALYSISONINTERCONNECTIONPROCESSOFFIXEDSPEEDWINDTURBINESBASEDWINDFARMWITHPOWERGRIDJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY，2007，311420237魏巍，王渝红，李兴源，等大型风电场建模及接入甘肃嘉酒电网仿真分析J1电力系统自动化，2009，331896101WEIWEI，WANGYUHONG，LIXINGYUAN，ETA1SIMULATIONOFLARGESCALEWINDFARMSINTEGRATIONINTOGANSUJIAJIUPOWERSYSTEMJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，2009，3318961018韩肖清，胡月星，张伟，等基于MATLAB的并网风电场动态仿真J太阳能学报，2008，2175179HANXIAOQING，HUYUEXING，ZHANGWEI，ETA1DYNAMICSIMULATIONOFGRIDCONNECTEDWINDFARMSBASEDONMATLABJACTAENERGIAESOLARISSINICA，2008，21751799田春筝，李琼林，宋晓凯风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析J电力系统保护与控制，2009，37194651TIANCHUNZHENG，LIQIONGLIN，SONGXIAOKAIMODELINGANDANALYSISOFTHESTABILITYFORTHEPOWERSYSTEMCONSIDERINGTHEINTEGRATIONOFTHEWINDFARMSJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2009，3719465110郭家虎，张鲁华，蔡旭双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护J电力系统保护与控制，2010，3864044GUOJIAHU。ZHANGLUHUACAIXURESPONSEANDPROTECTIONOFDFIGSYSTEMUNDERTHREEPHASESHORTCIRCUITFAULTOFGRIDJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，386404411魏巍，王渝红，李兴源，等基于PSASP的双馈风电场建模及接入电网仿真J电力自动化设备，2009，29126873WEIWEI，WANGYUHONG，LIXINGYUAN，ETA1LARGEWINDFARMSMODELINGANDGRIDCONNECTIONSIMULATIONBASEDONPSASPJELECTRICP