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1、基于风电机稳态模型的-风电场最大安装容量的研究 黎 平,祝明佳,严干贵 （东北电力大学电气工程学院,吉林市,132012） Base on Wind turbine generator Stability Model Research on a Mix Wind farms capacity LiPing,Zhu,MingJia,YanGanGui (College Of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Ji Lin 132012, China) ABSTRACT: It is important to
2、electricity grid stability about power flow and voltage analysis to wind farm switch in electric power system. Throw analysis about power flow and voltage it is not only to examine the steady- state model of wind turbine but give the important reference data for wind farm into the electric network .
3、This paper introduces the double fed induction generator (DFIG)steady- state model ,which considers variable wind speed the function among output power of wind turbine generator ,tip speed ratio and mechanical torque ,and throw simulation to analysis BaiCheng district JiLin provinces wind farm mix i
4、nner ability problem. KEY WORDS: Double Fed Induction Generator (DFIG), Wind Farm, steady- state model 摘 要：风电场接入系统后的潮流计算和电压分析对研究 接入区域电网的稳定性具有重要意义，通过对潮流和电压 的分析不仅可以检验风电机模型的准确性，还对今后大规 模的风电机组并网提供了重要的参考数据。文中建立了以 双馈感应电机作为发电机的变速风电机组稳态模型，该模 型考虑了不同风速下风电机输出功率与叶尖速比和机械转 矩之间的函数关系，通过仿真分析了吉林省白城某地区风 电的接入能力问题。 关键词：双
5、馈风力发电机,风电场,稳态模型 一.引言 风能具有随机型、间歇性和不可以调度性的缺 点，随着风电机组单机容量和风电场规模的增大， 迫切需要研究大型风电场并网后对电力系统的影 响。 含风电机组的潮流计算常用于评估风电机组并 网后对电网稳定运行的影响， 同时也是分析风电对 电网稳定性影响等其他理论研究工作的基础。 吉林省西部通榆、白城、双辽等地区风能资源 丰富，但开发利用率低。截至 2005 年底，已开发 并投入运行的风电场装机容量仅约 79.56MW，按 照吉林省电源建设发展规划，到 2010 年风电总装 机容量将达到 700MW， 2020 年将达到 2000MW， ， 届时将超过全吉林省总装
6、机容量的 10%，而且这 个比例仍将增大。 日渐增大的风电功率的注入， 是 必会对接入区域电网的稳定性产生很大的影响。 怎 样研究新的无功调度及电压控制策略以保证风电 场和整个系统的电压水平及无功平衡,及这个影响 有多大？这些都将是电力系统面临的重大技术问 题， 因此， 如何考察分析计及风电场的系统运行特 性已成为我省电网运行规划工作中的急迫难题。 目前最常用的风电机组包括以鼠笼感应电机 作为发电机的定速风电机组、 以双馈感应电机作为 发电机的变速风电机组和装配用磁同步发电机的 变速风电机组等。定速风电机组与电网直接相连， 当风电机组并入电网时需要并入补偿电容器以提 高发电机的功率因数。 一般
7、情况下电容器是分组投 切的， 它所发出的无功功率仅与发电机的出口电压 有关， 因此定速风电机组不能对电压进行连续调整 和动态控制。 双馈变速恒频风电机组通过变流器向 转子线圈提供励磁， 从而实现了有功功率和无功功 率的解耦控制。 与鼠笼感应发电机相比， 双馈变速 风电机组很容易实现次同步转速发电并具有调节 无功的能力。 永磁同步变速风电机组的调速范围与 PDF created with pdfFactory Pro trial version 双馈感应风电机组类似， 发电机经过容量与本体相 当的变流器接入电网， 网侧变流器可以运行在没有 无功交换的状态， 理论上可用于控制无功功率和电 网电压。
8、 以双馈感应电机为发电机的变速风电机组 可以实现恒功率因数控制和恒电压控制， 目前恒功 率因数控制模式的机组应用较广泛， 恒电压控制模 式的变速风电机组应用的较少。 本文以某实际电网为例，应用电力系统分析综 合 程 序 （ power system analysis software package ,PSASP） 分析了风电机组对系统潮流的影 响， 通过仿真比较了某些节点电压以及风电场有功 出力的变化情况。 通过仿真结果验证了模型的有效 性， 解决了稳态运行情况下白城地区风电场最大的 接入容量问题。 二双馈式异步风电机组的运行原理及稳态 数学模型 2.1 运行原理：双馈式变速恒频风力发电机
9、组主要由：风力机、双馈感应式发电机、背 靠背四象限变流器等三部分组成，下图是其 物理结构示意图 双馈式变速恒频风力发电机组的运行原理大 致如下：风力机将风能转化为叶轮的动能，进而通 过变速箱带动风力发电机组转子旋转在转子绕组 中通入滑差频率的电流，在定子中可以感应产生恒 频（50HZ）的电势，进而实现对风电机出口频率的 控制达到风动能向电能的转化。 2.2 风力发电机稳态模型 风力发电机在三相静止坐标系下的数学模 型在纵多文献中作过推导。具有非线性、时变性、 强藕合的特点，分析和求解困难。为了有助于工程 上的分析和计算，可以应用于矢量变换控制通过坐 标变换的方法简化数学模型。以下主要分析同步旋
10、 转 dq 坐标系下的数学模型。 在于定子磁场同步旋转的 d q 坐标系上，双 馈电机的稳态电压方程和磁链方程为： += += += += rdsrqrqrrq rqsrdsdrrd sdsqsqssq sqsdsdssd pIRU pIRU pIRU pIRU 1 1 += += += += rqrsqmerq rdrsdmerd rqmesqssq rdmesdssd ILILk ILILk ILkIL ILkIL 其中 Xrr=Xr+Xm , Xss=Xs+Xm ; Uds 和 Uqs 是定子 电压的d q轴分量Udr和Uqr 是转子外加电压的d q 轴分量，Ids、Iqs 是定子绕组电
11、流的 dq 轴分量， Idr、Iqr 是转子绕组的 d q 轴分量。dr、ds 是定子磁链的 dq 轴分量，dr、qr 是转子磁链 的 dq 轴分量。 定子侧和转子侧的有功功率和无功功率分别 如下图： dsqsqsdss qsqsdsdss IUIUQ IUIUP = += 电磁转矩为： sqsqsdsdss PIUIUT=+= 把以同步速旋转的坐标轴 d 放在定子合成磁链上， 即所谓的定子磁场定向。这样定子磁链 ds 也就是s 了，则qs=0.在忽略定子电阻的 条件下有： s qs ds U U U = = 0 此时有功无功为: = = ds s s qs s s IQ IP U U 此时改
12、变定子电流的 q 轴分量 Iqs 就可以改变电磁 转矩，进而改变电机转速。改变定子电流的 d 轴分 量 Ids，则可以调节定子侧无功功率。双馈电机转 速和无功功率的控制是通过控制转子侧电压的幅 值和相角来实现的。由此可以推导出转子侧电流和 定子侧电流之间的关系。可得： PDF created with pdfFactory Pro trial version = = 0 ds s dsU 将上式带入定子侧磁链方程可得 = = dr ss m ss s ds qr ss m ds I X X X I I X X I U 改变转子绕组电流分量 Iqr 和 Idr，即可以控制 双馈电机的定子侧电流
13、Iqs 和 Ids， 进而控制电机转 速和定子侧无功功率。双馈电机可调控的变量在空 间上相差 90，可以看成是相互正交的矢量对 于其中的任何一个变量的调节都会影响另外一个 矢量的状态，这种控制就是矢量控制。 将转子磁链带入转子电压方程可得： qrrdsmdrrrqr drrqsmqrrrdr IrIXIXsU IrIXIXsU += += )( )( 把 Iqs 和 Ids 带入得： s ss m dr ss m rrdrrqr qr ss m rrdrrdr U X sX I X X XsIrU I X X XsIrU += = )( )( 2 2 通上述可知，通过调节转子侧电压的 dq 轴
14、分量 Udr、Uqr,可以控制转子侧电流。 三算例系统 电网结构如图所示：风电场安装的是变速恒频 风力发电机组，通过变压器及线路连在白城 21 母 线上，并且可以看到风电机组所连母线周边区域的 结线情况. 在风电机组的稳态特性分析中，一般将其机断 母线视为 PQ 节点，风电机组采用机型为 Gamesa G58- 850kW 双馈异步发电机组,采用恒功率因数控 制方式，功率因数 cos=0 .G58 三个叶片受风角度 均可调（采用变桨距控制）并且能主动转向。叶轮 直径为 58 米。风机配有 Ingecon- W 控制系统。在 高风速下，Ingecon- W 控制系统和变浆距系统将风 机的输出功率
15、保持在额定功率，与空气的温度和密 度没有关系。在低风速条件下，变桨距系统和 Ingecon- W 控制系统通过选择转子的转速和叶片 角度使风机的输出功率最大，以及达到最大的功率 系数。 本算例使用某风电场的实测风速曲线，把 风电机模型利用 UPI（PSASP 中的接口程序）和潮 流计算程序相连接可以得到系统的潮流，并对风电 场接入后各主要节点电压和功率进行分析。 下图为实测六分钟内的风速曲线 4.1模型校验及最大安装容量的确定 本文考虑风电场现场的情况以 V58 850KW 型风电机组为例，计算恒功率因数控 制模式下的系统的潮流，该机组的功率因数 为 1，即机组与电网间没有无功交换。下图 可以看出单台发电机的实际输出功率曲线与 仿真得到的曲线相差很小印证了风电机模型 的有效性. 发电机实际功率 Preal 与仿真功率 Pout 的曲线图 洮南风电场共 58 台 850kW 的风电机组， 将其 全部接入电网并以最大功率输出，投入功率为 49.3MW，此时电网电压变化最大，观察电压变化 情况，如下图: 接入风电场前后各结点电压示意图 主要母线上功率的变化情况见下图： PDF created with pdfFactory Pro trial version 接入风电场前
