双馈式风力发电并网电压稳定性研究

李思岑

摘要：基于DFIG的变速风电机组能通过变频器实现发电机有功功率以及无功功率解祸控制，提高风电场功率因数以及电压稳定性。但在电网出现大的故障时，双馈式风电场便无法为系统提供足够的无功功率支持，而且在故障期间，电网电压水平降低，风机机端电压下降，严重情况下可能会引起所有风机全都切出。因此，对提高DFIG并网暂态电压稳定性的研究是非常必要的。本文对双馈式风力发电并网电压稳定性进行研究。

关键词：双馈式；风力发电；稳定性

DFIG并网暂态电压稳定性分析

转子侧变频器暂态电压控制

DFIG转子侧的变频器用来控制双馈风机，在并网点电压出现波动以及电压恢复的过程中能发出无功功率参与电网的暂态电压控制，保证并网点电压能在扰动或故障后能快速恢复稳定。DFIG暂态电压控制框图如图1所示。

图1 转子侧变频器暂态电压控制器的控制系统框图

由图1可知，在系统出现扰动或发生故障过程中通过给定值与实际测得的电压值进行比较，会产生一个差值信号，这个信号会经过PI控制器，通过计算得到转子侧变频器所需要发出的无功功率的参考值，经过内环的电流控制，来进一步调整风电机组实际发出的无功功率，使得DFIG在故障之后能迅速重新建立稳定机端电压，保证电力系统的稳定运行。

2、桨距角控制模型

在系统正常工作时，桨距角只有在风速超过风机的额定转速时，用来控制输出有功功率的限值。在风速超出风机切出速度时，桨距角在很短时间内调节风电机组的机械能功率，保证风机的安全稳定运行。因此在系统出现故障时，桨距角控制也被用来保证风电场的安全稳定控制，提高系统的暂态电压稳定性。系统发生故障时电压降低，风电场需要对系统进行一定的无功补偿，导致风力发电机机端电压也随之降低，使得风电机组的机械转矩超过电磁转矩，进而引起风机超速。因此需要通过降低风电机组的机械转矩来控制风机的转速，减少风机所发有功功率，减轻电网的负担，改善系统的暂态稳定性。

二、DFIG并网系统仿真分析

1、风速对风电并网的影响

风速对风力发电机输出功率的影响很大，进而影响到风电场并网电压。因此，首先针对风速变化对风电场的输出电压和电网电压造成的影响进行仿真。在仿真系统中，设定8m/s的恒定风速和从5m/s攀升至15m/s的渐变风速，并将双馈风机的控制模式调整为恒电压控制。图2为不同设定下的风速波形。

图2 不同风速下风速波形

通过比较图2中不同风速下的输出波形，很明显可以看出，风速模块严格按照输入的参数为发电机提供恒定风速以及渐变风速。恒定风速下风速一直处于8m/s，渐变风速下，风速在2s时开始增加，直到在12s左右达到最大风速15m/s，之后一直保持15m/s的速度运行。分别在恒定风速和渐变风速下对系统并网点的电压进行仿真分析。图3为恒定风速下并网点电压波形。

图3 恒定风速下并网点电压波形

从图3中可以得出，风机在并网的一瞬间会产生波动，对并网点电压造成一定的影响，在经过0.2s左右会快速恢复到接近额定电压的水平。除了在刚开始并网运行时并网点电压产生波动，之后并网点电压一直处于接近于额定电压的稳定状况。因此可知在恒定风速下风电并网对并网点电压稳定性造成的影响很小，完全符合风电并网的要求。在渐变风速下并网点电压的仿真波形如图4所示。

图4 渐变风速下并网点电压波形

从图4可以看出，除了在刚开始并网运行时并网点电压产生波动以外，在17.5s左右并网点电压开始产生波动，并网点电压开始降低。由图2(b)可知，渐变风速由_5m/s一直上升，直到在12s时到达15m/s，之后一直保持风速不变。由于风机的额定风速一般在11m/s左右，在15m/s时风速己超出额定风速，因此导致风电机组在17.5s左右达到满发状态时风机处于超速运行，因此桨距角开始对风电机组的机械功率进行控制，降低风机的机械功率，从而控制风机输出有功功率，因此导致风机输出功率有所波动，进而使得并网点电压出现轻微波动。由此可知，在不超过风机额定风速时，恒定风速以及渐变风速对风电并网点电压基本无影响。当风速在超过额定风速时风机会通过桨距角控制有功输出，使得并网点电压出现轻微波动。

2、系统出现故障对并网电压的影响

首先，在仿真模型中设定风速为恒定风速8m/s，并将电压控制方式设为恒电压控制方式。其次，在系统运行5s时对3_SkV并网点处设定单相接地短路，并在0.15s后切除故障。最后运行整个仿真系统，得到风电并网点电压和风机出口电压波形如图5所示。

图5 单相短路接地时风电并网点电压

图5为在发生单相短路接地故障时风电场并网点电压波形。从图中可以得出，在并网点发生短路故障时，并网点电压瞬间降为零，并在0.15s后切除短路故障后才逐渐恢复。在并网点电压恢复时，恢复电压的波动性很大，而且恢复时间也不够快，导致并网点电压一段时间处于不稳定状态，影响并网点电压稳定性，因而对电网系统的稳定运行也造成一定的影响。

三、提高风电并网电压稳定性的措施

1、在风电送出线路安装串联补偿设备

输电线路中串联感性电抗会在很大程度上影响系统的稳定极限。减少输电线路各种元件的电抗，可以增加系统故障后的线路传输功率，进而提高电压稳定性。采用串联电容器补偿能抵消线路中的电抗，提高最大传输功率，加强系统的暂态稳定性。但串联电容器可能引起其临近的汽轮发电机发生次同步振荡，一直以来串联电容器都用来补偿非常长的输电线路。近年来在系统暂态稳定应用中，采用投切式串联电容器组可有效维持电网的暂态稳定运行。

2、可控高压电抗器

在风电装机容量比较大的区域，由于风电场的电压控制力比其他地区较弱，常规的高压电抗器不能实现在线调节，将导致变压器低压侧的电抗器对高压侧母线电压的控制能力较弱。因此，采用可控的高压电抗器将在很大程度上提高电网电压稳定性。

3、桨距角控制

在风电机组中，桨距角控制系统主要通过控制风机的机械功率来达到控制风机的有功输出，而且控制所需时间很短。因此在电网故障时能辅助提高风电场的稳定性，进而提高系统的暂态电压稳定性。

变速电机变频器控制

DFIG可以通过控制转子励磁的频率来改变发电机转子转速。当电网侧发生故障时可以通过降低发电机转子励磁电流从而保证转子旋转磁场的转速处于同步转速，在故障期间保证电磁功率不会发生剧烈的振荡。

5、安装静止无功补偿器(SVC)或静止同步补偿器(STATCOM)等无功补偿装置

在电网出现较大扰动或故障时，仅依靠风电场自身的无功调节能力是远远不够的，需要额外增加无功补偿装置对系统进行无功补偿oSVC和STATCOM都是目前应用较为广泛的动态无功补偿装置，能在电网出现故障时快速向电网输送无功功率维持系统电压的稳定性。无功补偿作为最直接和最有效地提高并网系统电压稳定方式之一，值得去深入研究。

结束语

近年来,在国家的大力支持和号召下,我国风电行业发展迅速,风机装机容量不断增加,风电并网容量不断增大,风力发电已成为我国电能来源必不可少的一部分。但是我国大部分风力资源都处于电网末端的薄弱环节,风力发电又具有波动性和随机性,使得风电并网给电网的安全稳定运行带来很大负担。因此,对风电并网系统的电压稳定性研究就显得尤为重要。

参考文献

[1]大规模风电并网系统暂态稳定分析及控制[D].林润.哈尔滨工业大学.2017

[2]风电接入对区域电网的电压稳定性研究[D].陈业伟.华北水利水电大学.2017