摘  要： 將附加阻尼控制SVC應(yīng)用于兆瓦級雙饋型風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研究了系統(tǒng)的暫態(tài)過程。首先建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)模型，水輪發(fā)電機(jī)組以及附加阻尼控制SVC的數(shù)學(xué)模型，然后仿真研究了雙饋型風(fēng)電場并網(wǎng)以后對區(qū)域系統(tǒng)暫態(tài)過程的影響，對比分析了風(fēng)電場接入和故障情況下采用普通SVC和附加阻尼控制SVC的作用和效果，仿真結(jié)果驗證了建立模型和采取方法的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞： 雙饋感應(yīng)電機(jī)；風(fēng)電場；動態(tài)模型；附加阻尼控制；暫態(tài)穩(wěn)定性

    風(fēng)電場裝機(jī)容量的增加使其對接入系統(tǒng)的影響越來越大，更多的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電場具有電壓控制、無功調(diào)節(jié)、有功頻率控制等火電機(jī)組具有的控制功能[1-2]?；陔p饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)點是可以在變速恒頻運(yùn)行的同時實現(xiàn)最大的風(fēng)能捕獲，減小變流器容量，實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制。隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比重的增大，接入電網(wǎng)電壓等級的提高，大量風(fēng)電的接入改變了系統(tǒng)原有的潮流分布、線路傳輸功率以及整個系統(tǒng)的慣量，因此接入后系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)會發(fā)生變化[3-5]。
    風(fēng)電機(jī)組接入后對電力系統(tǒng)的影響以及相關(guān)的穩(wěn)定性問題已有了相關(guān)的分析和研究。參考文獻(xiàn)[6]在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立基于風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，分析了故障后風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，得出了采用的輸電線路越長，基于異步電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性就會越差的結(jié)論；參考文獻(xiàn)[7]對挪威電網(wǎng)風(fēng)電接入后的系統(tǒng)阻尼的分析結(jié)果表明，風(fēng)電場接入容量較小時不會對系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生影響，當(dāng)風(fēng)電場接入容量較大時，基于普通異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組能夠增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，對故障后的系統(tǒng)穩(wěn)定性有利；參考文獻(xiàn)[8]通過建模分析，得出通過控制風(fēng)電機(jī)組的槳距角可以達(dá)到抑制區(qū)域間功率振蕩的目的；參考文獻(xiàn)[9]通過將雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)差信號引入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，建立了適用于雙饋異步電機(jī)勵磁附加控制的PSS模型，通過仿真分析驗證了所采取的方法能夠改善風(fēng)電場的系統(tǒng)阻尼。
    本文在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組模型、水輪發(fā)電機(jī)組模型以及附加阻尼控制SVC模型，對所建系統(tǒng)進(jìn)行時域仿真，分析了兆瓦級雙饋型風(fēng)電場接入后的系統(tǒng)功率、系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過程以及附加阻尼控制SVC在提高系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸電線路輸電能力、阻尼線路功率振蕩、增強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的效果。結(jié)果表明，兆瓦級雙饋型風(fēng)電場接入系統(tǒng)后會降低系統(tǒng)阻尼，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，采用附加阻尼控制SVC能夠有效抑制風(fēng)電接入系統(tǒng)后的功率振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
1 雙饋風(fēng)電機(jī)組模型
    為了能夠準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析，需要建立適用于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)分析的風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型，使其能夠充分反映在電網(wǎng)大擾動下的相應(yīng)動態(tài)特性。
1.1 風(fēng)電機(jī)組軸系模型
    為正確反映雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)大擾動下的響應(yīng)特性，采用兩質(zhì)塊的軸系模型，一個質(zhì)塊表示風(fēng)力機(jī)慣量，另一個質(zhì)塊表示發(fā)電機(jī)慣量。風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)通過齒輪箱連接。兩質(zhì)塊模型表示為[10]：


其中，ΔUt為勵磁系統(tǒng)電壓測量環(huán)節(jié)輸出電壓；ΔUA為勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出；ΔUF為勵磁系統(tǒng)負(fù)反饋環(huán)節(jié)(勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器)的輸出；ΔEf為勵磁系統(tǒng)輸出電壓。
2.4 附加阻尼控制SVC模型
    如圖1所示，附加阻尼控制一般由放大環(huán)節(jié)、復(fù)位環(huán)節(jié)、相位補(bǔ)償（校正）環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)組成，其輸出作為SVC電壓調(diào)節(jié)器的附加控制信號。復(fù)位環(huán)節(jié)是一個高通濾波器，作用是使阻尼控制環(huán)節(jié)在t→∞(p→0)時的輸出為零，屏蔽阻尼控制環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入；相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)用來提供必要的超前-滯后特性以補(bǔ)償阻尼控制環(huán)節(jié)輸入(ΔP)與SVC接入點母線電壓的相位滯后。本文中采用2個一階環(huán)節(jié)，在實際中也可以用更多的一階環(huán)節(jié)或二階環(huán)節(jié)，以達(dá)到理想的相位補(bǔ)償效果；限幅環(huán)節(jié)主要限制阻尼控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生附加控制電壓的調(diào)節(jié)幅度，避免超調(diào)。本文選取umax=0.15(umin=-0.15)，即限幅環(huán)節(jié)將阻尼控制環(huán)節(jié)輸出調(diào)節(jié)量的幅值范圍限制為±0.15 p.u.。

    其中，Uref為參考電壓、Umeas為節(jié)點測量電壓、Ucr為輔助阻尼控制輸入信號、BSVC為SVC電納參考值，這里通過加入附加控制信號改變固定的電壓參考值以控制端電壓的變化，Uref和Ucr相加作為控制器的有效參考值，進(jìn)而使得SVC的輸出電流圍繞工作點波動，使接入點端電壓按照期望的方式變化，達(dá)到增加系統(tǒng)阻尼的目的[12]。
3 風(fēng)電場及系統(tǒng)模型
    風(fēng)電場接入系統(tǒng)的方式如圖2所示，仿真系統(tǒng)以某區(qū)域電網(wǎng)為依據(jù)進(jìn)行等值處理，G1、G2為系統(tǒng)等值機(jī)，系統(tǒng)G1額定容量1 000 MVA，系統(tǒng)G2額定容量5 000 MVA。

    系統(tǒng)G1、G2為具有原動機(jī)、勵磁系統(tǒng)控制功能的水輪發(fā)電機(jī)組，同步發(fā)電機(jī)采用六階模型。等值負(fù)荷LD1和LD2為恒阻抗負(fù)荷，母線B2處采用靜止無功補(bǔ)償器(SVC)以滿足風(fēng)電場接入后和故障期間系統(tǒng)電壓的要求。風(fēng)電場裝機(jī)容量為150 MW，采用100臺單機(jī)容量為1.5 MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)等值，機(jī)組采用恒端電壓控制方式。
    時域仿真分析中，將風(fēng)電場接入系統(tǒng)后，分析對比使用普通SVC和阻尼附加控制SVC兩種情況下的功率的變化和系統(tǒng)G1、G2發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子動態(tài)過程。然后通過設(shè)置短路故障，故障位置考慮設(shè)在母線B1和B2之間輸電線靠近母線B1的一端，故障在0.02 s時刻發(fā)生，經(jīng)過4個工頻周期后在0.1 s時刻消失，考慮系統(tǒng)機(jī)組在使用附加阻尼控制SVC情況下的動態(tài)過程，分析其對風(fēng)電場接入后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。
4 仿真分析
4.1 風(fēng)電機(jī)組接入前后的時域仿真
    對比分析風(fēng)電場接入系統(tǒng)后，使用普通SVC和附加阻尼控制SVC兩種情況下，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)G1有功功率、系統(tǒng)發(fā)電機(jī)G1、G2轉(zhuǎn)子相角差、G1轉(zhuǎn)子角速度的變化。
4.1.1 風(fēng)電場接入后，使用普通SVC
    由圖3、圖4可以看出在系統(tǒng)配置普通SVC情況下，發(fā)電機(jī)G1有功功率出現(xiàn)振蕩，并且振蕩的幅值逐步增大，G1、G2轉(zhuǎn)子相角差也出現(xiàn)在43°～48°之間接近于等幅的振蕩，發(fā)電機(jī)G1轉(zhuǎn)子角速度振蕩增加，說明風(fēng)電場的接入激起了系統(tǒng)振蕩。

4.1.2 風(fēng)電場接入后，使用附加阻尼控制SVC
    由圖5、圖6可知在采用附加阻尼控制SVC代替普通SVC后，G1有功功率和G1、G2轉(zhuǎn)子相角差能夠基本保持不變，系統(tǒng)振蕩得到有效的阻尼和抑制作用，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

4.2 系統(tǒng)發(fā)生故障時的時域仿真
    以系統(tǒng)中發(fā)生后果最為嚴(yán)重的三相短路接地故障為例，分析G1有功功率和G1、G2轉(zhuǎn)子相角差在采用附加阻尼控制SVC情況下的動態(tài)響應(yīng)，其中設(shè)置故障時間在0.02 s時刻發(fā)生，經(jīng)歷4個周波后在0.1 s時刻消失。
    通過設(shè)置三相短路接地故障，分析附加阻尼控制SVC對含風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。由圖7、圖8可以看出采用阻尼附加控制SVC能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障后很快地使轉(zhuǎn)子相角差和有功功率趨于恒定，改善了系統(tǒng)阻尼，增強(qiáng)了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

    實驗結(jié)果證明，即便在恒定風(fēng)速情況下(風(fēng)電場本身無擾動)，基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)電場接入系統(tǒng)以后，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果采用普通SVC，經(jīng)過一段時間的振蕩后系統(tǒng)仍會失去穩(wěn)定，甚至崩潰。以功率偏移作為輸入量的帶有阻尼附加控制功能的SVC兼有抑制系統(tǒng)振蕩和提供系統(tǒng)電壓支持的雙重作用，能夠增強(qiáng)風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
[1] JAUCH C,SORENSEN P,BAK-JENSEN B.International review of connection requirements for wind turbine[C]. Proceedings of Nordic Wind Power Conference,March 1-2, 2004,Gothenburg,Sweden.
[2] BOLIKS M.Grid requirements challenges for wind turbines[C].Proceedings of 4th International Workshop on Largescale Integration of Wind Power Transmission Networks for  Offshore Wind Farms,October 20-21,2003,Billund,Denmark.
[3] SHI L,XU Z,HAO J, et al.Modelling analysis of transient stability simulation with high penetration of grid-connected wind farms of DFIG type[J].Wind Energy,2007,10(4):303-320.
[4] EKANAYAKE J B,HOLDSWORTH L,WU X G,et al.  Dynamic modeling of doubly-fed induction generator wind  turbines[J].IEEE Trans on Power Systems,2003,18(2):803-809.
[5] 石立寶,戴世強(qiáng),徐政.大規(guī)模雙饋型風(fēng)電場并網(wǎng)的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2009,21
(8)：1-7.
[6] SENJYU T,SUEYOSHI N.Stability analysis of wind power generating system[C].Proceedings of The Power Conversion  Conference,Apr2-5,2002,Osaka,Japan.2002: 1441-1446.
[7] HAGSTROM E,NORHEIM I,UHLEN K. Large scale wind power integration in Norway and effect on damping in the Nordic grid[C].Proceedings of Nordic Wind Power  Conference,March1-2,2004,Gothenburg,Swed-en.
[8] JAUCH C.Stability and control of wind farms in power systems[D].Roskilde, Denmark: Ris National Laboratory, Technical University of Denmark,2006.
[9] 關(guān)宏亮,遲永寧,戴慧珠,等.并網(wǎng)風(fēng)電場改善系統(tǒng)阻尼的仿真[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(13):81-85.
[10] 遲永寧,王偉勝,劉燕華,等.大型風(fēng)電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(15):10-14.
[11] 倪以信,陳壽孫,張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.
[12] 謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.