影响风力发电机组并网系统稳定性的因素分析

2020-02-12李杨杨黑龙江龙源新能源发展有限公司

节能与环保 2020年4期

文_李杨杨黑龙江龙源新能源发展有限公司

风能是当前应用比较广泛，并且利用比较充分的一种自然能源，最为常见的例子就是将风能应用在电能的产出上。但是，因为风能的速度不能被准确地测量，并且风向具有极大的不稳定性，因此很多的风力发电机组并网不能发挥很好的利用效果，下面我们将对于主要的影响因素进行详细分析。

1 风力发电机组的基本组成部分

传统意义上的风力发电机通常包括4 个工作板块，分别为风速模型、风机、发电机和控制系统。

首先，风速模型具有比较明显的波动以及随机特点，这个模型的建立是4 个模块中最为复杂的部分。在一般的风力发电机组中，对于电网的影响风速性能分析需要进行部分的简化，因此我们常常将简化后的工程分为两个不同的部分，分别为平均风速和其他干扰因素。

其次，在风力发电机组中的发电机种类是比较繁琐的，因此需要能够快速找到感应电机模型中同步的型号。为了能够对于风力发电机的稳定性因素进行仔细研究，我们同样需要能够营造了一个比较良好的研究环境，例如忽略饱和情况，定子绕组的动态情况，定子槽影响电子转动的情况。对于异象模型机的电网分析，工作中需要涉及一些比较复杂的方程组模型，例如摇摆方程、磁链和电压方程等。

最后，对于控制系统模板而言，主要涉及了功率检测以及速度控制两个不同的工作板块，需要能够在规定的时间内完成如下的工作任务：在规定的风速条件下，机组能够稳定运行；在额定风速情况下，能够最大程度上吸收能量；在高频风速下能够保证风机保持稳定的输出模式，避免出现放电机或者其他装置出现过度负荷的情况。因为控制部分是风电系统高效运行的重要保证，所以需要能够灵活切换不同的工作模式，常见的控制模式有定浆距离控制、最大频率跟踪控制等。

2 传统恒定风速发电模型系统

我国大部分的电网工程都是利用异步的发电系统，这种发电方式在进行并网的运行过程中不仅会消耗大量的无用功，同时还会对系统的稳定性造成很大的波动影响。这种发电设备为了避免出现这样的不良影响，通常在另外一端放置一个补偿性的电容器，从而减少无用功的吸收。

经过长期的调查和研究可以发现，恒定频率和速度的发电系统对于系统的自我调节功能没有任何影响，即使系统出现了故障，这种发电模式也会被立刻从系统中去除，等到系统恢复运作之后才能够被再次应用。因此，为了防止这样的故障发生，需要在内部时刻准备一个大量的功率储备，但是安装大功率的设备对于电网的稳定性通常会造成不利的影响。因为恒定风速异步的发电系统在结构上比较简单，方便管理以及维护，所以这种发电系统能够长期存在。同时这种设备在运行过程中不会造成任何的环境污染，因此在市场上还是具有一定竞争力的。

3 并网双馈风力发电系统

3.1 轴系模型

并网双馈系统中的机械传动模型的主要作用，在于将系统中搜集的风能利用适当的方式转化为电能。风在吹动风扇页面的过程中，叶片在低速转动的时候能够带动传动轴转动，在经过齿轮箱的过程中，能够带动转动轴进行高速运行，而高速的转动轴因为和电机部分进行直接连接，因此可以带动发电机运动，产生电能。完成由机械能转换为电能的过程。

3.2 发电机的内部构成

风力发电机控制方式主要分为2 个部分，一是利用控制角浆距离的方式；二是利用机器中的电流大小控制风力系统中的电动势能进行控制。

一方面，如果实际运行过程中的风速大小和额定风速类似，工作人员将利用第一种控制方式控制发电机组。但是，很多搜集的风属于自然风，具有不稳定性的明显特点，风势的走向也不容易被把握，因此风能还是不能被控制的。此时需要能够根据风速和风能的改变，调节叶片和风速的角度，调整风机去捕获更多的风能。在控制角度的过程中也会分为2 种不同情况的控制方式，第一种方法就是利用系统反馈的调节信号进行自动调节；第二种方法根据鼓风机的实际输出功率进行控制。

另一方面，如果运行的过程中实际风速没有达到预期的额定风速标准，则需要利用变流器控制发电的机组。而其中变流器主要分为2 个不同的组成部分，一是侧变流的控制方式，风力发电机组利用侧身变流仪器转换电流的方式，改变电动的势能大小，对于内部的转子速度进行改变，彻底改变功率大小对于电流稳定性的影响。二是网测电流控制方式，这种变流器的主要优点在于能够实现风电机组系统内部的变流器和电网之间无差别功率的调节。如果需要调节功率，可通过改变电流大小的方式，保证直流线路的电压稳定性；对于没有功率的部分而言，则能够通过改变风量的大小进行控制。

4 风电系统仿真

本文所讨论的风力系统发电稳定性，主要针对受到外部其他因素干扰后系统始终能够处于一个比较稳定的情况范围内，因此下面我们将会对于机组在不同情况下的动态响应情况对于并网系统的稳定性进行研究。

4.1 仿真模型

为了能够检测后期建立的浆距角模型的科学性，需要能够对于并网系统建立一个相应的仿真系统，该系统应用双馈风力发电，在运行的时候并网输出存在功率，消耗无功功率。该仿真系统由6 台型号相同的放电机组合而成，每台发电机的功率都是相同，利用数学计算软件matlab 进行模型的搭建工作。

4.2 并网风电系统仿真分析

为了能够详细分析并且了解并网系统中电压的稳定性情况，研究人员分别从110kV 的电压到25kV 的电压进行模拟故障分析。

（1）110kV 电压降落分析

在110kV 的电压情况下，15s 内将电压下降了0.2p.u.。因为这个过程中浆距角度和内部变流器两个部分的协调控制，电压的输出还是能够基本保持稳定的，即使电压在短时间内出现了较大的波动，一段时间后能够恢复到原本的数值。经过50s之后，外部的实际风速超过了额定风速，系统利用自身的保护系统进行自我保护和清理，可以发现风力电场中的输出功率瞬间消失，此时说明了风力电场已经被移除。

（2）25kV 两侧接地故障处理分析

在仿真系统中如果15s 内25kV 位置出现了故障的情况，并且两端的位置是单相接地的情况，那么中间的电压基本上能够瞬间恢复。但是如果在变压器T2 的25kV位置处出现了同样的故障情况，两端接地的电压瞬间消失，同时风电场输出口位置的电压同样也会出现波动性的影响，下降了大约0.1p.u.。等到15s 之后，因为发电机的速度过小，输出电压过小导致系统自动开启了保护措施，此时同样输出电场中的实际功率消失，并且被清除出去。