三相故障时双馈风力发电机并网稳定性的改进
2021-06-26王栋孙晓东
王栋,孙晓东
(黑龙江科技大学电气与控制工程学院,黑龙江哈尔滨,150022)
0 引言
伴随着全球能源危机给各国人民的紧迫感,风力发电大行其道,风力发电机及大规模大型风力发电机组在全世界各个范围内尤其是风力资源充足的地方随处可见,但是由于人类的需求不断提高对电能的质量,电压的质量等级需求随之增加导致电网电压的等级也跟着提高,从而引起了全世界各国电力方面的教授工程师对风电并网系统对电压稳定的影响的研究。
1 改善双馈风机并网稳定性的措施
1.1 优化电网网架结构
双馈风机的机械参数是双馈风机系统稳定性的影响因素之一,同时,电网的网架结构也是其重要的制约因素。而风电并网系统稳定性受到保障的前提是具有足够坚强稳定的网架结构和充足的无功功率。
1.2 善风电机组的运行频率
风电机组的运行频率一般会在一个合适的范围内波动。双馈风机稳定运行的一个重要的前提是频率不超过规定的范围。一旦故障发生扰动时,无功功率的变化会影响电压产生波动,进而导致风电机组的频率降低到规定的范围内,会导致风电系统退出并网影响电网的稳定运行[1]。因此,改善风电机组的运行频率是双馈风机并网系统发生故障后改善其稳定性的重要措施之一。
1.3 提高电网低电压穿越能力
当发生故障扰动时,会发生电压骤降,导致风力发电机庄子电流部分过高,若不采用有效的调控措施,就会使电压持续上升,产生电流和功率的波动,严重影响变流器的正常运行,甚至产生系统的振荡[2]。而电力系统的低电压穿越能力可以很好的解决这个问题,保障并网系统的运行稳定。
风电场的低电压穿越能力(Low Voltage Ride Though,LVRT)是指当电力系统发生故障或者扰动时,导致电压骤降,但是在降落的范围内,风电机组能够不发生脱网并且能够持续运行。我国对风电场低电压穿越的要求为风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力以及风电场的并网点电压在发生跌落2s内能够恢复到额定电压的90%时,风电场的风电机组能够保证不脱网连续运行[3]。因此针对上述的要求,在模型的搭建中,在双馈风机机组中加入低压保护装置,若并网系统受到各类故障扰动时,在风电场出口电压低于0.75(pu)超过0.2s后,低压保护装置就会启动,使双馈风电机组发生脱网。
1.4 加强系统无功补偿
当双馈风电并网系统受到各类故障扰动时,要想保持电压的稳定性,关键就是要保障系统具有充足的无功补偿,即可以通过加装无功补偿装置来达到目的[4]。同时,双馈风机转速也是系统稳定运行的影响因素之一,转速的大小会影响无功补偿的效果。而使用无功补偿装置相比较于传统的并联电容器补偿的方式,调节更加平滑,受到外部的限制更少,反应速度更快,效果也更加的明显[5]。
而无功补偿装置中比较有代表性的是静止无功补偿器(SVC)以及静止同步补偿器(STATCOM),其可以将无功功率平滑稳定地注入电网中,同时这两者具有实时性,可以在无功功率降低的瞬间进行补偿,从而恢复原有的状态。
综上所诉,STATCOM与现有的SVC相比较,他的运行范围更大,具有更快的调节速度,不间断的吸收无功,产生更小的谐波电流,更低的损耗以及更加方便安装的特点。但是这些都是理论上的依据,具体的采用何种无功补偿装置要看在故障时的具体情况。
2 加装无功补偿装置的风电并网系统的稳定性仿真分析
2.1 双馈风机的数学模型
2.1.1 电压方程
定子绕组电压方程:
转子绕组方程:
式中:usd,usq,urd,urq——定,转子电压d轴,q轴分量;
isd,,isq,ird,irq——定,转子电流d轴和q轴分量;
ω1—―同步旋转角速度;
ωr—―转子旋转角速度;
2.1.2 磁链方程
定子磁链方程:
转子磁链方程:
式中:Ψsd,Ψsq,Ψrd,Ψrq——定子及转子在 d轴和 q轴上的磁链分量;
L1s,L1r——定、转子绕组一次谐波自感;
Lms,Lmr——定、转子绕组高次谐波自感;
Lm——定、转子绕组同轴的互感;
Ls——定子的自感;
Lr——两相转子绕组的自感。
2.1.3 转矩方程及运动方程
转矩方程:
运动方程:
式中 :np——匝数 ;
TL——负载转矩;
Te——电动机产生的转矩;
J——转动惯量。
2.2 系统参数
下面是对电路图具体参数的描述:给定电网电压为120KV,这里采用的是6台风力机6*1.5MW,传输线路分为10KM和20KM的两端,正序阻抗为0.1153Ω/Km和413Ω/Km,为575V的风机经过线路接入一575V/25KV的升压变压器,再经过10Km的线路接到一25KV/120KV的升压变压器中,最后并入电网。
2.3 三相故障时的无功补偿仿真
根据前文所述理论,对无功补偿补偿效果进行仿真分析。
设定恒定风速为8m/s,在5s,25KV处发生三相故障,5.15s时切除故障,总共运行时间为20s。图1是加入SVC补偿的效果,由图可看出在5s时发生电压骤降,在5.4s时电压逐渐恢复稳定。
图1 加入SVC后的仿真波形
从图2可以看出虽然加入STATCOM后故障时间未变但是稳定的时间提前,在5.2 s时,电压趋向于稳定。
图2 加入STATCOM的仿真波形
3 结束语
文中在Matlab平台搭建了双馈风力发电系统并网的仿真模型,分析了其主电路结构。根据仿真分析,提出改善双馈风机并网稳定性的措施,包括提高电网低电压穿越能力,改善风电机组的运行频率以及着重介绍了加装无功补偿装置来提高电力系统稳定性的方法。通过仿真比较得出结论STATCOM(静止同步补偿器)在提升风电并网电力系统稳定性比SVC静态无功补偿器方面有更好的效果。