含直驱机组风电场的电力系统暂态电压稳定分析.pdf

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1、第 3 8卷第 1 2期 水 力 发 电 含 直 驱 讥 组 风 电 场 的 电 力 系 统 暂 态 电 压 稳 定 分 析 李 江 ，赵海岭 ，常喜强 ，宋联庆 ( 1 新疆 电力公 司 昌吉电业局 ，新疆 昌吉 8 3 1 1 0 0 ；2 新疆电力调度 通信 中心， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 2 ；3 新疆 吐哈油 田公 司 ，新疆 鄯 善 8 3 8 2 0 2 ) 摘要 ：利用线路故障临界切 除时间来表征 电力 系统暂态 电压 稳定性的量化指标 ，采取 动态 时域仿真法对 WS C C 3 机 9节点算例系统与基于直驱机组并 网风 电场 接人 该算例系统的暂态电压特性进行 了仿

2、真分析 。研究结果表明 ，接 人直驱机组风 电场后算例 系统 的线路故 障临界切 除时间要 比原算例系统的线路故障临界切除时间要长 ，因此 ，基于 直驱机组风电场的接入 算例 系统能较好地改善原系统的暂态 电压稳定性 。 关键词 ：暂态电压稳定 ；直驱永磁风机 ；线路故障临界切除时间 ；风 电场 An a l y s i s o n Tr a n s i e n t Vo l t a g e S t a b i l i t y o f P o we r S y s t e m I n c l u d i n g D- P M S G W i n d Fa r m L i J i a n g ，

3、 Z h a o Ha i l i n g ， C h a n g Xi q i a n g 2 ， S o n g L i a n q i n g 3 ( 1 C h a n g j i E l e c t ri c P o w e r B u r e a u o f X i n j i a n g P o w e r C o m p a n y ， C h a n g j i 8 3 1 1 0 0 ， X i n j i a n g ， C h i n a ； 2 X i n j i a n g C o mm u n i c a t i o n C e n t r e f o r P o

4、 w e r D i s p a t c h i n g ， U r u mq i 8 3 0 0 0 2 ， X i n j i a n g ， C h i n a ； 3 P e t r o c h i n a T u h a D i l fi e l d C o m p a n y ， S h a n s h a n 8 3 8 2 0 2 ， X i n j i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e t r a n s i e n t v o l t a g e s t a b i l i t i e s o f a t h r e e

5、s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r a n d n i n e b u s p o w e r g r i d i n t e g r a t e d wi t h o r wi t h o u t Di r e c t d ri v e n P e r ma n e n t Ma g n e t S y n c h r o n o u s G e n e r a t o r( D P MS G)a r e s i mu l a t e d b y d y n a mi c t i me d o ma i n me t h o d a n d c o

6、 mp a r e d b y t a k i n g t h e f a u l t c rit i c a l c l e a r i n g t i me a s t h e q u a n t i t a t i v e i n d i c a t o r o f t r a n s i e n t v o l t a g e s t a b i l i t y o f p o w e r s y s t e m T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a u l t c r i t i c a l c l e a ri n g t i

7、me o f g r d i n t e g r a t e d w i th D P MS G i s l o n g e r t h a n the g r i d wi t h o u t D P MS G， a n d S O t h e i n t e g r a t i o n o f D P MS G i n t o g I i d c a n i mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f g r i d Ke y W o r d s ： t r a n s i e n t v o l t a g e s t a b i l i t y ； P

8、 MS G； f a u l t c r i t i c a l c l e a ri n g t i me ； w i n d far m 中图分类号 ： T K 8 3 ；T M7 1 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 1 2 - 0 0 7 7 0 4 0 引言 风 电 发 展 初 期 ，在 电 力 系 统 发 生 故 障 时 ， 一 般 将 部 分 风 电 机 组 或 整 个 风 电 场 切 除 ， 来 保 证 风 电 场 和 电 网的暂 态 电压稳 定性 。随着风 电穿 透 功率 增加 ， 具 有稳 定 性 好 、风能 利

9、用 率 高 、有 功 与无 功 可 控 等 众 多 优势 的变 速永 磁 直 驱 风 电机 在 实 际 风 电场 中 比 例 越来 越 高【 ，在 风 电场 与 电 网弱联 系 电 网侧 故 障 时 会 造 成 本 地 区 电 网 与 风 电 场 的 暂 态 电 压 稳 定 问 题 凸 显 8 】 。 因 此 本 文 对 含 直 驱 机 组 风 电 场 的 系 统 暂 态 电 压 稳 定 问 题 进 行 了研 究 。 在 国 内外 学者 对 风 电场 研 究 中 风 电场 与 电 网 所 能 承受 故 障 扰 动能 力 通 常采 用 线 路 故 障 临界 切 除 时 问 f 来 间 接 反 映

10、 ， 因 此 风 电 场 接 入 电 力 系 统 的 暂态 电压 稳定 性一 般采 用 线路 故 障临界 切 除时 间 作 为其 参 考量 化 指 标 。该 时 间值 越 长 ，表 明含 风 电 电力 系 统 的暂 态 电压 稳 定性 越 强 。文 献 9 1 搭 建 了异 步 风 电机 构成 的风 电 场与 无 穷 大 系统 连接 的仿 真算 例模 型 ，通 过 仿 真 说 明风 电场短 路 容 量 比是 影 响风 电场 暂态 电压 稳定 性 的一个 重要 因素 ；文献 1 0 1 以基 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 4 1 6 基金项 目：国家 自然科学 基金资助项 目( 5 0 8

11、6 7 0 0 4 ) ； 8 6 3计划 资 助项 目( 2 0 0 9 AA 0 5 Z 4 4 5 1 作者简介 ：李江 ( 1 9 7 4 一 ) ，男 ，甘肃 民乐人 ，工程师 ，硕士研 究生 主要从事 电网发展规 划研究 、风 力发电技术等方面 的工作 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 1 2团 水 力 发 电 2 0 1 2年 1 2月 于恒 速 异步 机 组 构成 的风 电场 为例 ，研 究 了风 电场 的故 障极 限切 除 时 间 ，并 对轴 系 特性 和其他 因素 对 极 限 切 除 时 间 的影 响 进 行 了 分 析 。 本 文分 析

12、了直驱 风 电机组 在 暂 态运 行 时采 取 的 一种 控 制 策 略 ，保 证 直 驱 风 电机 组 暂 态 运 行 能 力 ， 并 利 用 动态 时域 仿 真法 对 3机 9节 点算 例 系 统 与基 于 直 驱 机 组 并 网 风 电 场 接 入 该 算 例 系 统 的 暂 态 电 压 稳定 性 进行 了对 比研 究 ，结 果 表 明接 入 基 于直 驱 机 组 并 网 风 电 场 后 的 电 网 暂 态 电 压 稳 定 性 要 优 于 原 电 网 的 暂 态 电 压 稳 定 性 。 1 永磁直驱风电机组暂态的电压特性分析 直 驱 风 电机 组 的暂 态 电压 特 性与 全功 率变 频

13、 器 的 控 制 策 略 及 暂 态 控 制 能 力 密 切 相 关 ，机 组 的 全 功 率 变频 器对 电网 的故 障可 以起 到一定 的隔离 作用 ， 因此 在 电 网侧 发 生 短 路 或 断 线 等 不 太严 重 故 障 时 ， 风 电机 组受 到 的影 响 不 大 ，可 以继 续 并 网运 行 ；若 故 障 较 为严 重 ，机 端 电压 低 于保 护 定 值 ，保 护装 置 跳 闸 ， 风 电 机 组 退 出 运 行 ，风 机 有 功 无 法 送 ， 当 切 除 的 风 机 达 到 一 定 量 时 ，将 会 给 电 网 暂 态 电 压 稳 定 带 来 重 要 影 响 。 因 此 ，

14、有 必 要 对 风 机 的 暂 态 特 性 进行 研 究 。使 得 J x L 机 在 电 网侧 发 生故 障 时 ，不 仅 能 继续 并 网运 行 ，而且 还 能在 故 障期 间采 取一 种 控 制 器使 其 发 出一 定 无 功功 率 为 电 网提供 电压 支持 ，来 改 善 含 直 驱 机 组 风 电场 的 电 力 系 统 暂 态 电 压 稳 定 性 。 本 节 分 析 _ r一 种 直 驱 风 电 机 组 暂 态 电 压 控 制 策 略 模 型l i 2 ，不 仅有 效 提 高 了直 驱 风机 的暂 态稳 定 运 行 能力 而 且在 网侧 故 障时 还 能 为 电 网提 供 一 定 的

15、动 态 无 功 支 持 1 1 直驱风 电机 组暂 态 电压 控 制策 略模 型 当 电 网 侧 变 频 器 采 取 直 流 电 压 一 无 功 功 率 即 恒 定功 率 因数 1控 制 方 式 时 风 电机 组 在 电 网发 生短 路故 障 及故 障后 的 电压恢 复过 程 中 ，并 没有 为 电网 的电压 降 落提 供无 功 功 率 支持 来 参 与系 统 的暂 态 电 压 稳 定 的 调 整 与 控 制 ， 因 此 ，为 更 好 地 发 挥 直 驱 风 电机组 的控 制技 术 优 势 ，使机 组 充 分参 与 系 统暂 态 电压控 制 为 系统 提 供无 功 功率 ，将 本文 的直 驱风

16、 电 机 组 暂态 电压控 制 模 型加 在 直驱 机 组 的 电 网侧 变 频 器 处 该 控 制 模 型 的 控 制 框 图 如 图 1所 示 。 图 1 电网侧 变频器暂态电压控制模型示意 在 故 障发 生 过 程 中将 测得 的 电压值 与 设 定 的 电 压 参考 值 相 比较 ，误 差值 输 入 P I控 制环 节 ，永 Wa l e r P o we r V o 1 3 8 No 1 2 磁 同 步 电 机 侧 变 频 器 需 要 发 出 的 无 功 功 率 参 考 值 r e f Q 可以由 P i 控制器的调整得出，最后通过直驱机 组 的 内环 电 流 控 制 来 调 整 风

17、 电机 组 发 出 的 无 功 功 率 ， 使直 驱 同步风机 机端 电压迅 速恢 复至 给定 的参 考值 ， 为 电 网提供 无 功功率 。 2 直驱机组风电场数学模型 2 1 永磁 直驱风 力 发 电机数 学模型 本 文在 d q 坐 标 系下 ，建 立 的永磁 同步 发 电机 组 数 学 模 型 【 2 】 为 di d R L 1 一：-i d + o i g+ “ d t Ld L d d iq一_ 一 Ra 一 ( + 。】 + 专 式 中 ， 和 分别 为发 电机 的 轴 与 q 轴 电流 ；L 和 分 别 为发 电机 的 d 轴 和 q 轴 电感 ；R 为定 子 电 阻 ； 为

18、 电 角 频 率 ； = n p ( O g n 为 发 电机 转 子 极 对 数 ； 。 为 永 磁体 的磁 链 ；I t d 和 l t q 分别 为 的 d 轴 g 轴 分量 。定 义 g 轴 的反 电势 e q = 。 ，d 轴 的反 电势为 e d = 0，假 设 发 电 机 d 轴 与 q 轴 电感 相 等 ， 即 L = = L，则 式 ( 1 ) 可 以 写 成 di d R 1 d - l - O) q i - I - 鲁 ： 一 一 + 。) + 2 直 驱 风 电 机 组 的 电磁 转 矩 表 达 式 为 =1 5 n p ( L - L ) + 。 ( 3) 若 = =

19、 ， J ，则式 ( 3 ) 可 以简 化为 =， _ 5n vi 。 ( 4) 3 算例分析 3 1 WS C C3机 9节点算 例 系统 本 次 算 例 采 用 WS C C 3机 9节 点 算 例 系 统 3台 同 步 发 电 机 模 型 均 考 虑 了 励 磁 系 统 模 型 、 涮 速 系 统 模 型 ， 同 步 发 电 机 采 用 了 考 虑 、E 、 、 的发 电机 6阶模 型 ，风 电场包括 3 3台单机 容量为 1 5 MW 的 永 磁 直 驱 风 电 机 组 ， 总 容 量 为 4 9 5 MW 其 中 母 线 B US 5为 风 电 场 接 入 系 统 的 P CC点 ，

20、 基 准 值 取 1 0 0 MV A。 3 2仿 真结 果及分 析 3 - 2 1 直驱风 电机组暂态电压控制策略模型仿真 本算 例考虑 了网侧变 频器 暂态 电压控 制 、2 S时 刻 在线 路 Bu s 5 一 B u s 7上 发生 最 严 重故 障i 相 短 路 接 地 ，2 2 s故 障切 除 ，忽 略风 电机 组 保护 措施 。在考 胃B j 奄 身弓 J 期弓： ) - 1 - ， 寺： 苫 且 芍 匹1 ：I b 三 且 L 吧 切 廿 吧 J力 玑 翟j 7 吧 口 倔 匕玎 T J BUS7 LJ 0 3 I l BUS 9 B US 2 G2 I K=1 国一斗一 (可

21、) 一 P 一 1 6 3 I j o 0 6 2 5 =1 0 25 _ 1 。 1 L 畦 。 邮 风场 嚣 s 赢驱型 B u s 1 。 G I V =I。 0 l 0O 2 O 0 3 O0 4 OO 5 t S 图 3 电网侧变频器输 出无功功率 曲线 O 0 图 4直 驱 风 机 机 端 电压 与 风 电 场 并 网 点 电压 曲 线 虑 了上 述 直 驱 电机 组 暂 态 电压 控 制策 略 模 型 后 所 得 到 的 仿 真 冈 彤 如 鍪 1 3、4所 乐 I 冈 3可 以 看 ， 故 障 未 发 生 时 ，风 机 以 恒 功 率 I 六数 1运 行 ，输 j I j 无

22、功 功 率 为 0在 时 刻 2 S 至 2 2 s发 生 相 短路 故 障期 间 ，由 于采 用 了直 驱 风 电机 组 暂 态 电 压 控 制 技 术 ， 电 网 侧 变 频 器 输 的 无 功 功 率 迅 速 增 加 ， 为 电 网 提 供 一 定 的 无 功 支 持 ， 以 保 证 直 驱 风 机 机 端 电 压 不 会 下 降 过 多 。 由 冈 4 可 看 出 J x l 机 机端 电压 跌 落 幅 度 仅 为 0 4 5 P U 。在 故 障切 除 后 ，机 端 电 与 并 网 点 电压 迅 速 亓 1 到额 定 值 ，同 时 直 驱 风 电 机 组 暂 态 电 压 控 制 模

23、块 退 H ； 运 行 ， 风 机 输 无 功 经 过 短 暂 衰 减 也 回 到 0，保 证 风 机 仍 以恒 定 功 率 因 数 1运 行 3 2 2 3机 9节点系统的暂态电压稳定仿真 本 次 算 例 采用 线 路 故 障 临界 切 除 时 间来 表 征 电 力 系 统暂 态 电压稳 定 性 的 量化 指 标 ，线 路 故 障临 界 切 除 时 间越 长 ，表 明 电 网 的暂 态 电压 稳 定 性 越 优 ， 反 之 则越 差 冈此 线 路 故 障 临界 切 除 时 间的 长短 间 接 反 映 出 电 网与 风 电场 承 受 故 障 扰 动 能 力 的强 弱 。 在 此 次 算 例 中

24、 直 驱 J x L 电 机 组 考 虑 上 一 节 提 I 的 机 组 暂 态 电 控 制 策 略 。系 统故 障类 型选 择 线路 最 严 重 的情 况 即线 路二 相短 路 ，且故 障时 问取 t = 2 S时 刻 发 生 ， 故 障 点 选 取 在 稳 态 潮 流 最 重 的 线 路 B u s 5 一 B u s 4上 在 t = 2 2 4 S时 刻 将 故 障 切 除 ， 系 统 中 G2 发 电 机 的 机 端 电 压 随 时 问 变 化 曲 线 如 图 5所 示 ， 可 以看 出 3机 9节 点 系统 中 G2发 电机 的机 端 电压经 过 短 暂振 荡 后 恢 复正 常 整

25、个 系统保 持暂 态 电压 稳 定 。图 6为 存 t = 2 2 5 S时刻 切 除故 障后 ，G2发 电机 的 机 端 电 压 随 时 问 变 化 曲 线 可 以 看 出 ， 电压 经 过 振 荡无 法 恢 复 ，欠去 电压 稳定 。 南此 可 以确定 故 障 临 界 切 除 时 间 为 0 2 4 S 。 图 5 t - 2 2 4 s切除故障系统中 G2发电机机端 电压 随时间变化 曲线 图 6 t - 2 2 5 s切 除故 障 系统 中 G2发 电机 机 端 电压 随 时 间 变 化 曲 线 3 - 2 3 基于直驱机 组风电场接入算例系统 的暂态 电 压 稳定 仿真 仿 真 条

26、件 同 3 1 ， 冈 7、8分 别 为 t = 2 3 2 s和 t = 2 3 3 S切 除故 障系 统 G2发 电机 3 5 k V母线 电压 曲 线 ，通过 仿 真 计算 ，可 以得 出将 基 于直 驱 风 电机 组 并 网风 电场 接 人 3机 9节 点算 例 系统 的故 障 临界 切 除 时 间为 0 3 2 S 。 通 过 比较 基 于 直驱 风 电机 组 并 网 风 电场 接 人 3机 9节 点 算例 系统 与原 算 例 系统 故 障 临 界 切 除 时 间 ，在 3机 9节 点 算 例 系 统 加 入 直 驱 机 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N

27、 o 1 2圃 鹪 一 趴 一m 卫 功 一 无 一 输 一 器 一 变 一 一 一 一 小 J 仅吧 zU1 z 年1z 同 1 20 1 O0 0 8 0 ( )6 0 0 4 0 O 2 O 0 1 O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t S 图 7 t= 2 3 2 s切除故障系统 中 G2发电机 3 5 k V母 线电压 曲线 G2发l【 L 35 kv母线 S 图 8 t= 2 3 3 s切除故障系统中 G2发电机 3 5 k V母线电压 曲线 组 网 风 电 场 ，增 强 r原 系 统 的 暂 态 电 压 稳 定 性 。 4 结论 本 文 研 究 了 含 直

28、骆 机 组 电 场 的 系 统 暂 念 电 压 稳 定 问 题 分 析 了 一 种 暂 态 电 控 制 策 略 使 得 直 马 区 风 电 机 组 住 故 障 时 能 够 为 电 网提 供 一 定 的无 功 支 持 ， 提 高 了 永 磁 同 步 直 驱 风 电 机 组 暂 态 稳 定 运 行 能 力 ； 对 3机 9节 点 算例 系统 暂 念 电 稳定 忡 与 基 丁直 驱 机 组 网 电 场 接 入 该 箅 例 系 统 进 行 比 较 ，结 果 显 示 接 入 直 驱 机 组 并 网 风 电 场 算 例 系 统 的 线 路 故 障 临 界 切 除 时 问 较 未 接 入 电 场 的 原 算

29、 例 系 统 的 临 界 故 障 切 除 时 间 有 所 延 长 。研 究 表 明 基 于 血 取 机 纰 风 电 场 的 接 入 算 例 系 统 ， 能 较 好 地 改 善 电 网 的 暂 态 电斥 稳 定 性 参考文献 ： 1 徐 町，胡敏 强 ，郑建勇 ，等 风 力发电机尤速度传 感器 网侧 功 率 接控制 电 J 系统 自动化 2 0 0 6 ，3 O ( 2 3) ： 4 3 4 7 2 ： 令祥 ，张兴 ，张崇巍 ，等基于位 观测 的 f 驱 系统 尤速度 传感器技术 _ 乜 系统 自动化 2 0 0 8 ，3 2 ( 1 2 ) ： 7 8 8 2 3 耀 民 ，范瑜 ， ： 至

30、 巾 永磁 同步风 J 发 系统的 优控制 J 电 J ： 技术学报，2 0 0 2 ，2 7 ( 2 0 ) ： 6 2 6 7 4 Y a z d a n i A ， l r a v a n i R ， A n e u t r a l p o i n l d a m p e d) l v e F l e r s y s t e m d i r e c t d r i v e v a r i a bl e s p e e ( 1 w n d p o w e r u r l i t J I EE E F r a n s O i l E r 一 e r g y Co n v e r s i o

31、n 2 0 0 6 ，2 1 ( 2) ： 5 9 6 6 0 7 5 姚骏 ，廖勇 鹰凯 永磁 f f 驱风 电机纰 的双 P WM ，燕换 器协州控 制策略f I 电力系统 n动化 2 0 0 8 ，3 2 ( 2 0 ) ： 8 8 9 2 6 明 ，李庚银 ，张建成 ，等 驱 式永磁 步J x 【 J 发电机 l 建 模 及其控制策略 J 电网技术 ，2 0 0 7 ，3 1 ( 1 5 ) ： 6 1 6 5 7 迟永宁 ，刘燕 华 ， I： 伟胜 ，等 Jx 【 电接入 对电 力系统 影响的研 究 J I 矧技术 ，2 0 0 6 ，4 8 ( 5 ) ： 3 8 4 4 8 丁德

32、 龙 ，赵海翔 ，曹娜风 电场接 人地 区电网 的I I 压 题 分析 J 【 I 1 同电力 ，2 0 0 6，3 9 ( 6 ) ：1 0 1 4 9 潘义霞，等 大型Jx 【 电场稳定性分析 控制研究 南京 ： - 海 大 学 2 0 0 4 1 0 曹娜 ，赵海 翎 戴慧珠 风 电场极 限切除时州 I 的确定及影响冈 素分析 J 巾 电力，2 0 0 8 ，4 l ( 5 ) ： 9 2 9 6 l 1 李先奇 等 变速 Jx I 电 J L I N风, 11 场并 的系统 UH 稳定 们 f 究 D1 南京 ：河海大学 ，2 0 0 8 f 1 2 赵海岭 ， 维庆 ，上海 ，等“驱

33、同步风l 乜机 动态稳 定忭 仿 真研究 1 1 乜 动化 ，2 0 1 0 ，3 2 ( 6 ) ： 5 1 5 3 ( 责任 编辑 高 瑜 ) 新疆公格尔水 电站首 台机转子 吊装成功 2 0 1 2年 1 0月 2 5 H， 巾国水利水电第瓦T稃局有限公司机 电制造发 分局承建的新舶 公丰 符 尔水电站 肖台机组转 了吊装成 功 为实现电站 卣 台机组发电 目标奠定 r坚实基础 。 新疆克州首座山区大型控制性水利枢纽布仑 口 公格尔水电站位十克孜勒苏卡 H 尔克孜 自治州阿克陶县境 ，是盖孜河水 电 规划“ 一库五级 ”开发方案的第一级水电站 ， 1 龙 水库布仑 口水库和公格尔水电站组

34、成 ，为大( 2 )型_等水 r 乜 1 一 ，电站装 机 容量 2 0万 k W，年均发 电量 6 3 9 亿 k W h ，水库 总库 容 6 4 4亿 n l ，总投资约 2 2 0 4亿元 ，计划将十 2 0 1 2年术实观 首台机绀 发 电。电站建成投产后 ，将为南疆克州 、喀什两地经济发展提供急需 的电力保 障。同时每年可提供近 2 0 0 0 元的税收 ，创造 社会价值近 5 0亿元 。 新疆布仑 H 公格尔水 电站首台机转予总重量约 1 3 2 t ，转 子最大直径 3 5 m，高 7 1 H I ，主要巾转 了 l I 心体 、转子支架 、磁 轭以及 6 对磁极等部件组成。用 主厂房 1 5 0 t 的桥机将转予 吊人基坑。 为确保 首台机转 子顺 利吊装 ，水 电五局制安分局公格尔项 日部成立专项 r 作小组 ，对桥机进行 项检查 ，井 j I 理 、 家 相关专业人 员存 吊装前对转 予及桥机进行 r 而检查 ，同时进 行了技术 、安 交底 ，完善 吊装措施 、f 1J j 确T作 责任 ，确保 了公 格 尔 水 电 站 首 台 机转 子 顺 利 吊装 圆W a t e r P o w e r V o 1 3 8 ， v o J 2 ( 敏 娜 )