浅谈电力电子技术在电力系统中的应用.doc
+浅谈电力电子技术在电力系统中的应用（东北大学信息科学与工程学院 自动化）摘要：电力系统自动化是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、调节和控制，以保证电力系统安全经济的运行和具有合格的电能质量。而电力电子技术对输电有着巨大影响，在电力系统中的应用涉及到提高输电能力、改善电能质量、提高电网运行稳定性、可靠性、控制的灵活性及降低损耗等重大问题。文章首先介绍了电力电子技术在电力系统发电、输电、配电和节能等各个环节的具体应用。然后以风电为例介绍了电力电子技术在可再生能源发电中的应用前景、控制技术及遇到的问题和挑战。最后对电力电子技术在未来智能电网中的应用前景进行了展望。关键字：电力系统 直流输电 风力发电Abstract: The power system automation means that the device automatically detect, control and decision-making functions of the application of various elements each having the power system, the local system or full system for automatic monitoring, locally or remotely, the regulation and control to ensure the safety and economic power system operation and with acceptable power quality. The transmission of power electronics technology has a huge impact on the application in the power system of the major issues related to improving transmission capacity, improve power quality and improve grid operation stability, reliability, flexibility and control to reduce wear and tear. The article first introduces the specific application of power electronics technology in all aspects of power system generation, transmission, distribution and energy and the like. Wind power, for example and then introduced the power electronics technology applications in the renewable energy power generation, the control technology and the problems and challenges encountered. Finally, the application prospect of power electronic technology in the future smart grid is discussed.Keywords: power system HVDC wind power0引言电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术的融合，已在国民经济中发挥着巨大作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。本文将首先就电力电子技术在电力系统中的应用研究现状进行一个具体阐述。而作为国家能源战略的一部分，新能源发电在电力系统中的发电比重已日益增加，而风力发电无疑是其中的一颗耀眼的新星。由于其清洁无污染、具有良好的社会效应和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。然而随着风力发电技术的发展和应用推广，对风力发电的效率和电能质量的要求越来越高，而应用电力电子技术和控制技术则是实现这些目标的最有效的手段。本文将就电力电子技术在风力发电中的相关应用对电力电子技术在可再生能源发电中的应用前景进行一个较为详细的论述。1电力电子技术在电力系统各个环节中的应用1.1发电环节电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。1.1.1大型发电机的静止励磁控制。 静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。1.1.2水力、风力发电机的变速恒频励磁。水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。1.1.3发电厂风机水泵的变频调速。发电厂的厂用电率平均为8%，风机水耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。1.1.4太阳能发电控制系统。开发利用无穷尽的洁净新能源太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。我国实施的送电到乡工程以1015kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂（7.2MW）等。1.2输电环节电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。1.2.1柔性交流输电技术(FACTS)柔性的交流输电技术问世于20世纪80年代后期，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术是一项基于电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用，自1986年美国专家NGH iogorani提出了FACTS（FlexibleACTransmissionSystem）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视。到目前，FACTS控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量(如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等)，从而增强交流输电或电网的运行性能。已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、静止快速励磁器(PSS)、串联补偿器(SSSC)等。近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。国内也对FACTS进行了深入的研究和开发。1.2.2高压直流输电技术(HVDC)直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，由于采用了可关断的电力电子器件，可避免换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛)供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。目前，全球已建成的直流输电工程超过60项。近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电（HVDCLight）采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。1.3配电环节配电系统需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力技术。用户电力技术（CP）和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力；发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，目前二者已逐渐融合于一体，即所谓的DFACTS技术。具有代表性的用户电力技术产品有：动态电压恢复器（DVR），固态断路器（SSCB），故障电流限制器（FCL），统一电能质量调节器（PQC）等。1.4节能环节1.4.1变负荷电动机调速运行电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。1.4.2减少无功损耗，提高功率因数在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。2 电力电子技术在双馈风力发电机组中的应用风力发电综合利用电力电子技术、自动控制等方面研究成果，发展成为电力系统中一个最新的研究领域。风力发电包括两个过程，一个是风能转化为机械能，另一个是机械能转化为电能。变速恒频风力发电系统主要分为双馈异步风力发电机和直驱永磁同步发电机两种。随着大规模电力电子技术的发展，双馈异步发电机的风力发电系统成为发电设备的主要选择方向之一。该类风力发电系统不必使风力机转速保持恒定，而是通过其他控制方式使得频率保持恒定。该类风力发电系统的主要优点如下：(1)采用该风力发电技术运行效率高。由于风轮变速运行，因此，可在较大的风速范围内保持最大功率点和最佳的叶尖速比运行，从而使机组发电效率得到了提高，风力机的运行条件也得到了优化。 (2)采用该风力发电技术使得功率因数可调。该类风力发电通过在异步电机的转子侧施加三相低频电流来实现交流励磁，并且控制励磁电流的频率、幅值、相位，从而实现输出电能的恒频恒压。 (3)采用该风力发电技术使变桨距调节更加简单。当风速很高时，可以通过调节桨距角来限制最大输出功率，当风速很低时，装距角是固定的。(4)采用该风力发电技术使得风电并网实现了很好的柔性连接，在并网操作及运行上较普通异步发电系统更容易。2.1 双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。转子的旋转速度、转子外加励磁电源产生的旋转磁场相对于转子的旋转速度与定子同步磁场的旋转速度之间的关系为： （2.1）当风速变化时，转速随之而变化。在变化的同时，通过改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，可以补偿电机转速的变化，达到保持输出频率恒定不变的目的。与转子相连接的双电压源变换器是电力电子电源变换装置，为了获得较好的输出电压和电流波形，其输出频率一般不超过输入频率的三分之一，其容量一般不超过发电机额定功率的 30%。双馈风力发电机运行时，变速运行的范围比较宽，定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。这种控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变流器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。与式(2.1)相对应： (2.2) 其中：为转子机械旋转角速度， 为定子磁链旋转角速 度， 为转子旋转磁场角速度，即转差角速度，超同步运行时为负，亚同步运行时为正。当定子旋转磁场在空间以的速度旋转时，转子旋转磁场相对于转子的旋转速度应该是： (2.3) 其中：s为变速恒频双馈发电机转差率。按照通常转差率的定义： (2.4)转子转差角转速与转差率s成正比。如果交流励磁发电机的转子转速低于同步转速，那么转子旋转磁场和转子的旋转方向相同，而当转子的转速高于同步转速时，则二者的旋转方向相反。根据可推出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系： （2.5）其中：为转子励磁电流的频率，为定子电流的频率。2.2双馈风力发电机系统的基本结构双馈感应发电机的基本结构类似绕线式感应电机，其定转子上都具有三相对称绕组，且磁路、电路对称，气隙分布均匀。与绕线式感应电机的不同之处在于转子绕组增加了电刷和滑环。当采用交流励磁时，转子的转速与励磁频率有关，因此双馈发电机的内部电磁关系既不同于感应发电机又不同于同步发电机，而是同时具有二者的某些特点。双馈风力发电机系统的示意图如图 2.2.1 所示。图2.2.1 双馈风力发电机系统示意图由图 4.4.1 可以看出，在双馈风力发电系统中，发电机的定子直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交-直-交变流器与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅值、相位、频率均可变，其励磁频率为转差频率。其中交-直-交变流器由两组电压源 PWM 变换器组成，可实现四象限运行。一般情况下，电网侧变流器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧变流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，同时调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨距角为 0，变桨距装置不动作，采用最大功率跟踪策略来实现最大风能的捕捉；当风速增加到额定风速以上时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。但由于风轮机的转动惯量较大，因此，变桨距装置动作具有一定的时延。2.3双馈风力发电机的等效电路双馈式感应发电机 T 型等值电路如图 2.3.1 所示。规定各绕组电压、电流、磁链正方向如图所示并符合右手螺旋定则，图中参数为绕组折算后到定子侧的参数。图2.3.1 双馈感应发电机的 T 型等效电路图2.4 双馈风力发电机的功率关系双馈型变速恒频风电机组，其发电机的转子电路具有功率双向流动的能力，这使得发电机既能运行在次同步模式，也能够运行在超同步模式。双馈发电机的运行工况主要分为四种：次同步电动，次同步发电，超同步电动，超同步发电。在不同的运行工况具有不同的功率传递关系，下面从双馈发电机的等效电路来研究其功率平衡关系。根据功率守恒关系，经气隙磁场传递的电磁功率从定子方和转子方可以分别表示： （2.6） （2.7）式（2.6）又可以重写为 (2.8)由上式可以看出，、分别为定、转子铜耗，为定子铁耗，为定子端输出的有功功率，为励磁系统向发电机转子回路输入的功率，记为；+即，为发电机轴所产生的机械功率。式（2.7）又可以重写为 （2.9）因此可以得出： （2.10） （2.11）由此得出，稳态运行时，双馈异步发电机的能量传递和发电机的运行状态有关。在忽略定转子回路损耗及铁耗的情况下，可以得出定转子回路功率关系的表达式为：= （2.12）当0<s <1，双馈电机处于次同步运行状态，当s<0时，双馈机处于超同步运行状态。可以看出，当0<s<1，双馈发电机运行在次同步发电状态时>0, >0,发电机定子端向电网输出有功功率，电网通过变流器向转子回路溃入功率，当s<0，超同步发电运行状态时，>0,>0, ，发电机定子端向电网输出有功功率，转子回路通过变流器向电网输入功率。实际上，双馈电机在滑差为0的情况下也可实现发电，这时转子励磁电流为直流电，转子回路溃入电网的有功功率为0，双馈电机的运行状态等同于同步发电机，由于其特殊性，一般不将其列为一种独立的运行状态。对于双馈电机的次同步超同步电动运行状态，不做讨论。 3 双馈风力发电系统的数学模型本部分以变速恒频双馈型异步风力发电系统为对象，介绍双馈型异步风力发电系统的几个主要环节，并对其动态数学模型做详细阐述。3.1风速模型风速是风力机的原动力，它的模型相对于风力机组比较独立。使用四分量模型，即基本风，阵风、渐变风和随机风。其中，基本风可认为是常量，不做讨论。3.1.1阵风图 3.1.1 描述了模拟的阵风风速时间序列，其中基本风速为 8m/s， 阵风最大值为14m/s，阵风启动时间是在第 3s 时，阵风作用时间为 6s。图3.1.1阵风风速时间序列3.1.2 渐变风为了反映风速的渐变特性，可在平均风速上叠加一渐变风分量。渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如公式（3.1）。 （3.1）式（3.1）中如公式（3-5）： （3.2）为渐变风开始时间，单位s；为渐变风终止时间,单位s，,为不同时刻渐变风风速，单位m/s；为渐变风的最大值，单位m/s；T为渐变风保持时间，单位s。图 3.1.2是模拟的渐变风风速时间序列，其中基本风速为8m/s，渐变风最大值14m/s，渐变风起始时间是第5s，渐变风终止时间是第11s。图3.1.2 渐变风风速时间序列 3.1.3 随机风随机风风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示。噪声风速模型如图3.1.3所示。图3.1.3 随机风风速时间序列3.2双馈异步发电机及其控制系统模型双馈异步风力发电系统主要由以下几个组成部分：风力机、轴系(即机械传动系统)和桨距角控制系统、转速控制系统、双馈异步发电机、无功功率控制系统、变频器及其控制系统，双馈异步风力发电系统模型结构图如图3.2所示。关于变频器及其控制系统的模型在此不做详细介绍。图3.2双馈异步风力发电系统模型结构示意图4 风电场并网对系统影响仿真分析本部分将在前面介绍的基础上对算例进行仿真分析，主要分析根据第三部分建立的风速模型及风电系统模型，采用MATLAB中的风力发电机组模块结合风速模型，建立了含有风电场的系统模型，模拟仿真风电场并网运行后的情况，其中包括各种风速变化和线路故障的影响15。4.1 仿真模型及系统描述仿真实验采用由6台相同型号的1.5MW双馈型异步风力发电机组构成的风电系统，应用MATLAB/Simulink对含大型并网风力发电场的电力系统运行进行动态仿真，等值电路如图4.1所示。图4.1 风电系统接线图4.2 仿真结果及分析在风电场的出口处采用两种控制方式，一种是有载调压模式( Voltage Regulation Mode)，另一种是静止无功补偿模式(Var Regulation Mode)，有载调压是静态调节，是通过调节变压器的抽头来改变输出电压，而静止无功补偿则为动态调压，是通过在风电场出口侧投切电容器来提供无功，维持电压在额定值附近。选取几种典型的、对系统影响较严重的运行方式作仿真。考虑的四种方式为:风速从8m/s变化到14m/s时(渐变风)，风电场和电网能否正常运行;平均风速为8m/s，t=3s时风速开始增大，t=6s时，风速达到14m/s, t=9s时风速又恢复至8m/s时（阵风），风电场和电网能否正常运行;10kV系统节点2、3之间的输电线路发生单相接地时风电场和电网运行情况;10kV系统节点2、3之间的输电线路发生三相短路故障时风电场和电网运行情况。利用MATLAB/Simulink对风电系统进行仿真的模块图如下图4.2所示。图4.2 风电场仿真模块图4.2.1 风速变化对风电场的影响图4.2.1（1）是在有载调压模式下，风速从8m/s变化到14m/s时，风电场出口电压、输出有功功率和无功功率的变化曲线。在仿真过程中假设风速相同。可以看出，因为采用了有载调压控制，风电场的电压基本维持不变，说明系统是稳定的。图4.2.1（1） 风速变化对风电场影响仿真图（有载调压模式）在静止无功补偿模式下，可以看到，在风速达到14m/s以后，风电场输出的有功功率达到9MW并保持不变，节点l即风电场出口电压上升到1.031(p.u.)，无功功率在t=20s时出现微小的波动，变化不大，基本保持在0附近。可以得出，在静止无功补偿模式下，系统的无功基本维持不变，风电场出口电压略有增加，总体而言系统是稳定的。图4.2.1（2）风速变化对风电场影响仿真图（静止无功补偿模式）4.2.2 风速变化对电网的影响图4.2.2（1）和图4.2.2（2）是风速从8m/s变化到14m/s时，电网运行情况的仿真曲线。图4.5是有载调压模式下风速变化对节点4、节点2电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。在仿真图中，风速变化引起的局部电网电压波动并不显著，由于风电场出力大幅度增加引起其他发电厂(节点2)的出力大幅度降低，从对系统提供有功功率到吸收系统的有功功率，功率的缺额由风电场提供。另外，为了补偿风电场的无功功率需求，其他电厂发出的无功功率明显增多。仿真结果表明，这样的风速变化对系统的稳定运行没有明显影响。图4.2.2（1）风速变化对电网的影响仿真图（有载调压模式）图4.2.2（2）为静止无功补偿模式下，风速变化对节点4、节点2电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。风速的变化时，与有载调压模式相比较，节点2、节点4的电压基本不变，有功功率和无功功率的变化与图4.5相似，由于采用了无功补偿模式，其他发电厂发出的无功功率由有载调压模式的1.87Mvar降到0.98Mvar。同时，节点2的电压略微有些增加，最后稳定在1.011（p.u.）。由此可见在静止无功补偿模式下，系统的运行是稳定的。图4.2.2（2） 风速变化对电网运行的影响仿真图（静止无功补偿模式）4.2.3 单相接地故障对风电场的影响图4.2.3（1）和图4.2.3（2）所示的是10kV系统节点2、3之间的输电线路发生单相接地故障时风电场出口的电压、电流、有功功率和无功功率的变化曲线。故障发生时间为t=5.1s，故障切除时间为t=5.2s，故障持续时间为100ms。图4.7为在有载调压模式下，风电场的出口电压降至0.8（p.u.）,仍能在低电压保护的门槛值0.75（p.u.）之上，故障切除以后，风电场依然能够正常运行。图4.2.3（1） 单相接地故障对风电场影响仿真图（有载调压模式）图4.2.3（2）所示的是静止无功补偿模式下，单相接地故障对风电场影响仿真曲线。由图可知，在故障切除后风电机组并网点电压经过一个短暂的震荡过程后能够恢复至额定值，风电机组发出的功率也能恢复至正常值。此可见在静止无功补偿模式下，系统的运行也是稳定的。图4.2.3（2） 单相接地故障对风电场影响仿真图（静止无功补偿模式）4.2.4 单相接地故障对电网的影响下面观察10kV系统节点2、3之间的输电线路发生单相接地故障对电网节点4、节点2电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。故障发生时间为t=5.1s，故障切除时间为t=5.2s，故障持续时间为100ms。图4.4.2.4（1）所示为有载调压模式下，节点2、3间出现单相接地故障对电网节点2、节点4的电压及有功功率和无功功率的变化影响，节点2的电压波动很大，但故障一经切除，系统又恢复了正常运行状态，由此可见，这样的故障对系统的正常运行影响不大。图4.2.4（1） 单相接地对电网的影响仿真图(有载调压模式)图4.2.4（2）是在静止无功补偿模式下，节点2、3之间的输电线路出现单相接地故障时的仿真曲线。由图可知，风电场输出的有功有所减少，功率差额由电网的其他发电机组承担，电网的输出的有功功率较静止调压模式有所增加。故障期间电网发出的无功功率大量增加，有利于维持风力发电机机组出口电压稳定。图4.2.4（2）单相接地对电网的影响仿真图（静止无功补偿模式）4.2.5 三相接地故障对风电场的影响图4.2.5（1）和图4.2.5（2）所示为节点2、3之间的输电线路发生三相短路故障时，风电场出口的电压、电流和有功功率及无功功率的变化曲线。故障发生时间为t=5.1s，故障切除时间为t=5.2s，故障持续时间为100ms。有载调压模式下的变化曲线如图4.2.5（1）所示。从仿真曲线看出，在故障时刻风电场出口电压大幅下降至0，风电场的有功功率和无功功率也降为0，从仿真曲线可以得出结论，风电场与电网解列。图4.2.5（1） 三相短路对风电场的影响仿真图(有载调压模式)在静止无功补偿模式下风电场并网点电压、电流、有功功率和无功功率的变化曲线如图4.2.5（2）所示。风电场在故障时刻电压急剧下降至零，风电场的有功功率和无功也降为零，风电场与系统解列。图4.2.5（2） 三相短路对风电场的影响仿真图（静止无功补偿模式)4.2.6 三相接地故障对电网的影响图4.2.6（1）和图4.2.6（2）所示为节点2、3之间的输电线路发生三相短路故障时对电网中节点4、节点2电压及节点2有功功率和无功功率的影响。故障发生时间为t=5.1s，故障切除时间为t=5.2s，故障持续时间为100ms。在有载调压模式下的变化曲线如图4.2.6（1）所示。从仿真曲线看出，故障时刻节点2电压大幅下降至0，保护动作，风电场与电网解列。故障切除后，风电场重新投入运行，需要从系统吸收大量的无功，所以Q_10在t=5.2s时剧烈上升。风电场稳定之后开始为系统提供无功，电压得到恢复，输出的有功功率变化不大。图4.2.6（1） 三相短路对电网的影响仿真图(有载调压模式)在静止无功补偿模式下，在故障时刻节点电压同样大幅度下降至0，保护动作。故障切除后，风电场重新投入运行，需要从系统吸收大量的无功功率维持电压的额定值，Q_10在t=5.2s时剧烈增加，风电场为系统提供的无功功率与图4.13相比略有增加。有功功率变化不大，如图4.2.6（2）所示。图4.2.6（2） 三相短路对电网的影响仿真图(静止无功补偿模式)5 总结电力电子技术已经在国民经济中发挥着巨大的作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。电力系统在通向现代化的进程中,是离不开电力电子技术的。伴随变换技术和控制技术的发展而发展，在可预见的未来，随着各学科新理论、新技术的发展,新材料、新结构器件的陆续诞生，及计算机技术和控制技术的不断发展，电力电子技术在未来智能电网电力系统中必将具有更为广阔的应用前景。随着风电场规模的不断扩大，风电场并网对电力系统产生了越来越多的负面影响。例如风速变化引起风电场出力变化、风电场吸收无功的变化造成电网电压波动等。本文结论如下： (1)通过分析仿真结果可以看出，在风速变化时，电网的节点电压，电流及功率分布将会随着风电场输出功率的变化而波动，影响不是很大，风电场和电网仍然能够稳定运行；当系统在比较严重的故障下，如单相接地和三相短路故障，特别是三相短路故障，风电场的出口电压急剧下降为0，输出功率也降为0，风电场与电网解列。(2)从仿真波形还可以看出，通过在风力发电机端口所加的控制措施，即在有载调压和静止补偿两种调节手段的情况下，风力发电机的电压基本稳定，功率基本平衡，有效的改善了并网风电场运行性能，提高了风电系统运行稳定性和电能质量。(3)通过各种仿真波形的比较，进一步说明了风电机组在运行中的特性，检验了数学模型的有效性。(4)建立了用于机电暂态仿真的风电机组模型和风速模型，仿真分析了风电机组和风电场在各种风速扰动下的出力变化、风电场退出运行后系统各电气量的变化过程。风力发电系统是一个非常复杂的系统，它综合了空气动力学、材料学、电力学、控制技术和计算机技术等多领域的知识。本文做了一些关于双馈型异步风力发电系统并网运行对系统影响的基础性研究工作，尚有许多有待进一步深入进行的研究，例如研究新型的风力发电系统的运行机理，开发通用的风电系统仿真软件，提高单台风电机的容量，优化风电场内部风力机的排布和配置，有利于风电场的运行，提高风能的利用率，还可以继续提升风力发电机组与元器件技术，将使发电成本降的更低，且更具竞争力。参考文献1 孟祥忠、王博.电力系统自动化.北京大学出版社2王仲鸿，沈裴，吴铁铮FACTS技术研究现状及其在中国的应用与发展3杨勇.高压直流输电技术的发展与应用前景.4 电力电子技术.冶金工业出版社5 陈建业电力电子技术在配电网中的应用 MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真6 李光琦.电力系统暂态分析M.3版.北京:中国电力出版社,2007.7 何仰赞，温增银.电力系统分析M.3版.武汉:华中科技大学出版，2006.8 陈虎，孟克其劳，马建光.基于MATLAB的风力发电机组建模和仿真研究J.节能技术,2012,30(171)+
