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大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析_二_双馈风机专题

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大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析_二_双馈风机专题 第 39 卷 第 8 期 电力系统保护与控制 Vol.39 No.8 2011 年 4 月 16 日 Power System Protection and Control Apr.16, 2011 大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析 ——(二)双馈风机专题 郑 昕,杨德州,王利平,吴兴全 (...
大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析_二_双馈风机专题
第 39 卷 第 8 期 电力系统保护与控制 Vol.39 No.8 2011 年 4 月 16 日 Power System Protection and Control Apr.16, 2011 大型分布式电源模型化研究及其并网特性 ——(二)双馈风机专题 郑 昕,杨德州,王利平,吴兴全 (甘肃省电力设计院,甘肃 兰州 730050) 摘要:就大型双馈风机风电场各系统进行了模型化研究,确立了风机模型、整流电路、逆变电路、桨距控制系统等数学模型。 基于这些模型,对大型双馈风机风电场风机输出功率特性,在复杂电网环境中的输出电压、电流特性进行了理论分析,并着 重分析了大型双馈风机风电场在系统侧故障状态下的各种响应特性和其低电压穿越能力,以及输出谐波、电压波动等其他电 能质量方面的问题。部分实验验证和仿真结果表明所建立的大型双馈风机风电场模型及其并网特性分析具备一定的正确性, 为国家今后新能源战略提供了一定的理论基础和并网指导。 关键词:分布式电源;大型风电场;双馈风机;低电压穿越;电能质量 Modeling of the large-scale distributed power supply and the corresponding grid-connected characteristics analysis ——(2)double-fed introduction generator thematic ZHENG Xin,YANG De-zhou,WANG Li-ping,WU Xing-quan (Gansu Electric Power Design Institute,Lanzhou 730050,China) Abstract:This paper researches system modeling of the large-scale wind power plants with double-fed introduction generator DFIG and ( ), establishes the mathematic model of the wind turbine,the rectifier and inverter circuits, the pitch control system, and so on.Based on these models,the wind turbine output power characteristics of the large-scale wind power plants with DFIG and , the output voltage and current characteristics in a complex network environment are analysed theoretically,and some problems are emphasized which include the response , characteristics and the low voltage ride through of the large-scale wind power plants with DFIG in the fault condion of the line-side and the problems in the , power quality, such as the output of harmonics,the voltage fluctuation and so on.Part of the experiment and simulation results demonstrate the accuracy of the model of the large-scale wind power plants with DFIG and the integration characteristics which could provide , theoretical basis and guide for wind farm integration for the new energy strategy of China in the future. Key words:distributed power supply; large-scale wind power plants;double-fed introduction generator;low voltage ride through; power quality 中图分类号: TM614 文献标识码:A 文章编号: 1674-3415(2011)08-0039-07 0 引言 在能源和环境问题备受关注的当今,风能作为 一种洁净的可再生能源在许多国家得到了迅速发 展[1-4]。随着我国各地各个大型风电基地的逐步并 网,风电场的并网特性研究迫在眉睫。电力系统电 磁暂态和机电暂态分析方法已经相当成熟,而对诸 如风能、太阳能等新能源并网引起的电网特性问题 分析尚存在许多不完善的地方。目前常用的分析方 法把新能源并网看作是一个典型的 PQ 或 PV 节点, 进而研究并网特性,而对其内部工作原理研究较 少,这种方法对新能源并网问题的研究存在误 差[5-9]。 双馈风力发电机(DFIG)是一个典型的离散控 制系统,本文就双馈风机内部工作原理及大型风电 场并网问题做详细研究,为电网的合理调度和安全 - 40 - 电力系统保护与控制 经济运行提供一定的理论依据。双馈风机主要特点 是:可提高能量转换效率,降低原动机承受的机械 应力,可实现有功﹑无功功率的解耦控制,从而使 风电机组有可能根据电力系统的运行要求进行适当 调节[10-13]。 1 双馈风机控制原理分析 1.1 双馈风机原理 双馈风力发电机原理如图 1 所示:双馈风机包 括风机部分和双反馈感性发电机部分。AC/DC/AC 电路包括转子侧整流(Crotor)单元和并网侧逆变 (Cgrid)单元两部分,整流单元及直流电容为逆变 电路提供一个直流电压源,逆变器输出经过滤波电 感与交流电网相连,三相交流风机转子接整流电路, 风能通过风机转化为感应电动机定子和转子电能, 控制电路用来生成风机浆距角及整流和逆变电路的 控制信号 Vr和 Vgc来控制风机电能输出,直流侧电 压及无功功率或电压只出现在控制环节内部。 图 1 双馈风力发电机原理图 Fig.1 Operating principle of the wind turbine doubly-fed induction generator 1.2 控制原则 双馈风力发电机内部潮流及控制电路如图 2 所 示,具体符号定义见表 1。风机机械功率及定子输 出功率关系如式(11)、(12)所示。 m m rP T ω= (1) s s sP Tω= (2) 不考虑发电机机械损耗时转矩方程为 r m em d d J T T t ω = − (3) 稳态转速一定下不考虑发电机电气损耗时 m emT T= (4) m s rP P P= + (5) 则 r m s m r em r s r m s s m s s P P P T T T sT sP ω ω ω ω ωω ω = − = − = ⎛ ⎞−− =⎜ ⎟⎝ ⎠ − = − (6) s 为感应发电机滑差 s r s s ω ω ω −= (7) 表 1 具体符号定义 Tab.1 Definition of specific symbols 项目 含义 项目 含义 Pm 机械功率 Qgc 逆变电路无功功率输出 Ps 定子输出功率 Tm 机械转矩 Pr 转子输出功率 Tem 转子电磁转矩 Pgc 逆变器输出功率 ωr 转子角速度 Qs 定子无功功率输出 ωs 发电机磁通角速度 Qr 定子有功功率输出 J 风机及转子惯性系数 Rotor Stator Induction Generator ωs AC DC AC Crotor Cgrid Three-phase Grid Temω rTm Pm Pr Qr Pgc Qgc Qs Ps 图 2 双馈风机控制原理 Fig.2 Controlling principle of the wind turbine doubly-fed induction generator 通常情况下,滑差绝对值远小于 1,因此,Ps 小于 Pr。所以,Tm 为正值。ωs 相对于电网频率是 一个正常数,Pr即滑差的一种体现。滑差为负数时 Pr为正值,反之(转子转速小于同步转速)为负值。 当大于同步转速时,转子输出功率使直流侧电压降 低。逆变器可以发出或吸收有功功率(Pgc),从而 保持直流电压的恒定。稳态下,逆变器输出功率 (Pgc)加上电气损耗即转子输出功率 Pr,风机转速 取决于转子输出功率 Pr,即整流电路输出功率。功 率控制环节如下。 低于同步转速时整流侧交流电压相序为正,高 于同步转速为负。此转换频率等于控制频率,即滑 差的绝对值。因此,整流和逆变电路可以发出或吸 收无功功率,从而控制电网侧无功功率和电压。 郑 昕,等 大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析 - 41 - 1.3 整流电路控制系统 整流电路用来控制风机输出功率,电压(或无 功功率)则决定于控制策略。功率控制必须符合预 先设定好的“功率-风速”特性曲线,风机特性曲线 及跟踪特性曲线如图 3 所示,ABCD 曲线对应不同风 速下风机机械功率特性。实际上,通过测定风机转速 r 来决定跟踪特性曲线相应的机械功率,从而确定控 制环节的参考功率。跟踪特性曲线可以通过 A、B、 C、D 来定义:风机转速从 0 到 A,参考功率为 0;A 到 B 点跟踪特性为直线特性(恒转速);B 到 C 点为 风机最大功率跟踪特性曲线(风机视在功率跟踪和风 机转速跟踪);C 到 D 点跟踪特性为直线特性(恒转 速);D 点功率为标幺值 1,D 点风速远大于 C 点; 超过 D 点参考功率为标幺值 1(恒功率)。 图 3 双馈风机跟踪特性曲线 Fig.3 Tracking curve of the wind turbine doubly-fed induction generator 1.4 风机特性及跟踪特性 图 4 所示功率控制环节为发电机侧整流电路控 制环节,整流侧实测电气功率输出加上总功率损耗 AC Voltage Measurement Droop Xs var Measurement AC Voltage Regulator +- - +- var Regulator Current Measurement +- +- Current Regulator V I V I Vac Vxs Q Vref Qref Ir Tracking Characteristic Power Measurement Power Looses Power Regulator ωr V Igc I ωr Is&Ir +- - Pref P Pl Idr_ref Idr Iqr Iqr_ref Vr (Vdr,Vqr) 图 4 双馈风机内部控制原理图 Fig.4 Internal controlling principle of the wind turbine doubly-fed induction generator (包括机械损耗和电气损耗)与参考功率做差,即 获得跟踪特性,比例积分环节(PI)用来减小过零 误差。比例积分环节输出为整流侧正序参考无功电 流 Iqr_ref,用来控制整流电路和计算电磁转矩。实测 电流 Iqr 正序分量和 Iqr_ref 及误差做差来减小电流校 正环节(PI)过零误差。电流校正环节通过负反馈 获得预期的 Vqr。 1.5 整流侧控制系统原理 电压或无功功率是通过整流电路来控制的,控 制环节如图 4 整流侧控制框图所示。当风机设定为 电压调整模式时,将对应图 5 所示的 V-I(电压-电 流)特性曲线。 图 5 V-I 特性曲线 Fig.5 Characteristic curve of V-I 当无功电流在最大电流区间内(-Imax,Imax)时, 图中设定电压即参考电压无功分量Vref。实际上,电 压降落(通常在最大无功输出功率的 1%~4%之间) 和图 5 中 V-I 特性曲线斜率即双馈风机 V-I 特性曲 线。电压调节模式下,V-I 特性曲线方程如式(8) 所示。 ref sV V X I= + i (8) 式中:V 为电压正序分量(p.u.);I 为无功电流 (p.u./Pnom)(I > 0,感性无功电流);Xs 为斜率或 无功电压降落(p.u./Pnom);Pnom 为有名值。 双馈风机设定为无功调节模式时,则无功输出 为恒定值。 电压调节器或无功调节器输出即是参考电流 d 轴分量 Idr_ref,Idr_ref用来控制整流电路。同样,功率 控制环节中 Idr_ref 用来控制实际正序电流 Idr 分量, 使其达到参考值。电流校正环节输出即预期参考电 压 Vdr。Vdr和 Vqr分别为 Vr在 d-q 坐标系下的 d 轴分 量和 q 轴分量。风机模型中,对于 d-q 旋转坐标系 下的整流控制系统及测量装置通过风机内部锁相环 节(PLL)锁定发电机视在功率。 整流电路侧参考电流 Ir_ref为 dr_ref qr_ref 2 2 r_refI I I= + (9) Ir_ref最大值不能超过标幺值 1。当 Idr_ref和 Iqr_ref - 42 - 电力系统保护与控制 高于标幺值 1 时,通过计算环节减小 Iqr_ref来使其重 新归于 1。 1.6 逆变侧控制系统原理(图 6) 逆变电路用来控制直流母线电压,此外,这种 模式下允许利用逆变电路来发出或吸收无功功率。 这种控制系统称为电网侧逆变电路控制系统,包括 以下几个方面: 测量环节用来测量交流电流中d轴和q轴分量, 从而来控制直流母线电压 Vdc。 外部控制环节为直流电压控制器,其直流电压 输出即输入电流校正装置的参考电流 Idgc_ref(Idgc= 电网侧相电流控制的有功潮流)。 内部电流控制环节由电流校正装置构成,电流 校正装置控制通过直流电压校正环节获得的 Idgc_ref 和设定参考电流 Iq_ref控制逆变电路相电压。电流校 正装置通过负反馈形成预期的逆变器输出电压。 逆变器输出电流为 qgc_ref 2 2 gc_ref dgc_refI I I= + (10) Igc_ref 取决于逆变器输出功率。当 Idgc_ref、Iq_ref 高于上限值时,通过减小 Iq_ref来使其回归上限值。 DC Voltage Regulator Current Measurement Current Regulator Vdc - + Vdc_ref Igc Idgc_ref Idgc I qgc Iq _ref - + - + Vgc 图 6 逆变器控制原理图 Fig.6 Controlling principle of the inverter 1.7 浆距角控制系统 直到 D 点,浆距角一直为 0°。超过 0°时, 浆距角随风速增加而增大。浆距角控制原理如图 7 所示。 Pitch Angle Gain Speed-D + _ Pitch angle max Pitch angle ωr θσ 图 7 浆距角控制原理 Fig.7 Controlling principle of the pitch angle 2 双馈风电机风电场并网特性 2.1 背景电网分析 考虑风电并网的复杂性,本文选用甘肃酒泉西 部地区玉门 330 kV 变系统作为分析背景,该系统内 上网风电总装机容量超过 600 MW,另外还有大量 水电上网,能比较准确地检验各种电源并网引起的 电网稳定问题。本系统中,玉门玉新风电场采用单 机容量为 1.5 MW 的双馈风力发电机组,总装机容 量 49.5 MW。 图 8 为水电大发情况下玉门系统大方式潮流分 布图,如图所示,为控制各种上网电源末端电压, 玉门系统 110 kV 侧电压控制不能太高,整个系统无 功缺额较大,需公网补充。玉门系统内包括小型水 电站、各种机型风电场、输气加压站以及将来电气 化铁路牵引站等,情况较为复杂。 玉门镇330kV变 115.3 昌马风风电场 115.6 G:125.2+j14.0 昌马联合110kV变 116.0 L:5.0+j1.6 昌马水电群 36.9 G:54.7+j18.0 柳沟峡水电站 118.6 G:51.0+j15.0 鱼儿红110kV变 117.7 G:25.0+j8.0 黄土湾水电站 118.9 G:22.0 月亮湾水电站 118.4 G:15.0 青羊沟水电站 120.0 G:51.0+j10.0 玉门风电场 115.5 G:69.7+j6.0 三十里井子 115.6 G:62.6+j6.0 玉新 116.0 G:49.5+j6.0 低窝铺 116.1 G:62.6+j6.0 阳关110kV变 114.8 G:20.0+j6.0 玉门镇110kV变 115.1 L:40.0+j13.2 安西输油站 113.8 L:17.5+j5.7 瓜州加压站1 111.9 L:20.5+j6.7 瓜州加压站2 112.1 L:20.5+j6.7 黑崖子 116.5 G:30.4+j3.0 125.0+j2.3(2) 20 .8+ j9. 0 9.2-j14 .1(2) 25.3+j2.3 49 .2 +j 9. 9 49 .2 +j 0.8 20.8+j9.1 17.6+j5.7(2) 69 .7 +j 0. 2( 2) 10.8-j20.4(2) 62.6+j0.2 49.5+j0.3 62.6+j0.235.6-j4.0 30.4+j0.9 54 .6+ j4 .5( 6) 图 8 大方式下潮流分布图 Fig.8 Power flow calculation of the large mode 2.2 风电出力特性分析 图 9 为甘肃酒泉地区某风电场连续一条运行曲 线,该风电场无功补偿形式为电容器补偿,除去调 节主变抽头及投切电容器引起的母线电压变化及操 作过电压外,110 kV 母线电压变化不大,平均值为 128.9 114.0 99.1 84.2 69.3 54.4 39.5 24.6 9.7 -5.2 -20.1 20-0:0 2:0 4:0 6:0 8:0 10:0 12:0 14:0 16:0 18:0 20:0 22:0 21-0:0 电压 有功 无功 图 9 某风电场有功、无功出力及电压曲线 Fig.9 Curves of the active power,reactive power and voltage of one wind plant 郑 昕,等 大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析 - 43 - 119.63 kV,无功出力变化方向基本和有功出力变化 方向相反,110 kV 母线电压变化方向基本和无功出 力方向相同。有功出力大时需系统提供无功,有功 出力小时向系统注入无功,风电场和公网无功交换 较为频繁,故在本工程设计中推荐安装动态无功补 偿装置。 2.3 动态无功配置 甘肃风电虽已大量投产,但对单机无功出力特 性的研究尚属空白,研究单机无功出力非常具有现 实意义。风电场传统新型无功补偿装置配置, 造成巨大浪费,确立最优的无功配置方案必将带来 巨大的经济效益。合理设置每台风电机组功率因数, 可以使风电场并网侧功率因数接近 1,从而降低风 电场的无功配置容量。 风电机组由于逆变电路及其控制电路的钳制作 用,短路电流基本上等于其额定电流,当电网扰动 时,不能提供瞬间的电压支撑,无功补偿装置的装 设尤为必要。动态无功补偿装置配置原理及原则在 (一)中已详细说明,本文不在详述。 本工程动态无功补偿装置采用 SVC(静止无功 补偿器),动态性能略差,故障时反向冲击电压略大, 但满足运行要求。考虑到 STATCOM(SVG)价格 的逐步降低,今后可考虑采用 STATCOM 等新型动 态无功补偿设备,以提高风电场整体动态响应性能。 通过上述逐机恒功率因数设置,可以使风电场 总体无功配置容量达到国际通行配置,从而在 保证系统稳定的前提下配置低于国内目前通行标准 的无功配置容量。由于本工程上网线路较长,根据 风电场内部箱变、电缆、母线及上网架空线路等充 电功率确定玉门玉新风电场的容性动态无功补偿容 量为 7.5 Mvar,感性动态无功补偿装置为 1.0 Mvar。 2.4 风速扰动特性分析 图 10 为玉新风电场风速扰动工况下,风机和风 电场各主要参量波动情况。风机恒功率因数设定模 式下,动态无功补偿装置投运时,风速从额定风速 图 10 风速扰动工况 Fig.10 Wind disturbance condition 短时增大然后迅速下降。风机在大于等于额定风速 时,风机以额定输出功率工况运行;在小于额定风 速时,风机出力减小,同时输出无功功率较小;各 主要节点电压波动最大波动值为 1.20%,未超出规 程要求;风机机端电压基本恒定。 图 11 无风时风电场停发工况 Fig.11 Wind power plant outage when no wind 图 11 为 SVC 投运和未投运两种情况下,玉新 风电场及对端各母线电压波动情况。风速逐渐低于 切机风速时,风电场退出运行,风电送出无功损耗 减小,风电场送出线路对外输出容性电流增大,造 - 44 - 电力系统保护与控制 成系统电压升高,各主要节点电压最大波动值 2.21%,符合规程要求。动态无功补偿装置投运后, 可以明显注入系统无功功率,减小系统各主要节点 电压波动。特别是,风电场 35 kV 母线电压近似为 水平直线。 2.5 低电压穿越能力 图 12 为 SVC 投运和未投运两种情况下,电网 异常时玉新风电场的响应情况。当其 110kV 送出线 路发生单相瞬时故障时,系统能保持稳定运行。发 生故障时,动态无功补偿装置装设后,无功电压支 撑能力加强,可以明显提升玉新风电场各母线电压, 且波动幅值减小,风电场整体动态响应性能得到改 善,风机低电压穿越能力得到加强,风机脱网概率 降低。 图 12 低电压穿越特性曲线 Fig.12 Characteristic curve of LVRT 2.6 双馈风机运行方式 目前,常见的风电场并网系统风机设定有恒功 率因数型和恒电压型两种运行方式。考虑到恒电压 运行方式电网侧发生瞬时故障时,系统无功缺额增 大,双馈风机机端电压降低,需增加无功出力以维 持机端电压恒定,双馈风机整体输出视在功率增大。 而双馈风机本身提供无功电压支撑能力有限,无功 出力增大时相位超前,等效为分布式电源频率增加, 进而引起“交—直—交”变换电路控制算法减小逆 变电路导通角及双馈风机内部保护算法增大桨距 角,从而其整体有功、无功出力减小;双馈风机整 体出力减小后,系统无功缺额进一步加大,双馈风 机需增加更大无功出力。因此,恒电压运行模式会 引起风电场并网“恶性电压崩溃”现象,国内外风 电场并网事故多数属于此种“恶性电压崩溃”造成。 鉴于双馈风机低电压穿越要求与双馈风机本身 控制算法间的矛盾,而双馈风机自身控制算法可以 保证机端电压近似恒定,因此本工程双馈风机风电 场采用恒功率因数运行模式。 2.7 其他电能质量问题 1)短路容量:双馈风电机组由于逆变电路及其 控制电路的钳制作用,短路电流基本上等于其额定 电流,因此不会大规模增加系统短路容量。 2)输出谐波:风机控制逆变电路由于技术的原 因现多采用空间矢量控制技术,输出总谐波含量在 2.2%左右(此谐波为广义谐波,包括正序整数次、 负序及非整数次谐波,附图略)。 3 结论 作为大型分布式供电系统,双馈风机是一个典 型的离散控制系统,本文就双馈风机内部工作原理 及大型风电场并网问题做详细研究,针对风电场无 功补偿采用电容器补偿及风电场恒功率因数等不足 做了详细分析,针对风电场并网特性相关问题做了 详细研究,该分析同样适用于其他分布式电源。为 电网的合理调度和安全经济运行提供理论依据,对 今后全国大型风电场的建设具有一定的指导意义。 参考文献 [1] 杨秀媛,梁贵书. 风力发电的发展及其市场前景[J]. 电 网技术,2003,27(7):78-79. 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Power System Technology,2005,29 (15):6-12. 收稿日期:2010-04-16; 修回日期:2010-06-22 作者简介: 李 立(1984-),男,博士研究生,研究方向为电力系 统可靠性;E-mail:l-l@mails.thu.edu.cn 鲁宗相(1974-),男,副教授,博士,主要研究方向为 电力系统可靠性、微电网、风力发电等;E-mail:luzongxiang@ mail.tsinghua.edu.cn 邱阿瑞(1946-),男,教授,博士生导师,博士,研究 方向为电机分析与控制。E-mail:qiuar@mails.thu.edu.cn
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