大型风电场接入系统方式的仿真比较

大型风电场接入系统方式的仿真比较

常　勇1,徐　政1,郑玉平2

(1.浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027;2.国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003)

摘要:柔性直流输电和交流输电是风电场接入的主流方式。基于PSS/E 仿真软件及其风力发电

软件包,建立了2种不同接入方式下的仿真系统,比较了2种接入方式的优劣。仿真结果证明,柔性直流输电接入方式在系统故障时可向系统提供无功支撑,有利于风电场经受故障,实现不脱网运行。

关键词:风力发电场;接入方式;双馈感应发电机;电压稳定;PSS/E 仿真中图分类号:TM614;TM743

收稿日期:2007202227;修回日期:2007203229。“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02117)。

0　引言

风能在我国的发展方兴未艾,各大发电企业均积极开发大规模风电项目。风力发电由接入配电网逐渐转变为接入系统主网,由此而带来的一系列问题亟待研究[122]。大型风电场并网会改变系统原有的潮流及网损分布,对电网的规划设计提出了新的要求。文献[3]在MA TL AB 中建立了双馈机组的8阶、5阶和3阶模型,深入了解双馈感应风力发电机组动态特性。文献[4]研究了电网电压骤降故障下双馈风力发电机的建模与控制问题,并提出了改进的矢量控制方法,提高了双馈风机在电网故障下的不间断运行能力。文献[5]研究了交流励磁变频恒速风力发电机并网控制策略,考虑到了大容量风力机组并网时的电流冲击问题。风电场接入对系统的功角、频率以及电压稳定性产生不利影响。文献[6]研究了风力发电引起的电压波动和闪变。文献[7]提出了应用遗传算法确定风电场并网点处无功补偿电容器的分组和控制方法,为解决风电场并网运行存在的电压稳定问题提供了理论算法。

这些问题中的大部分与风电场接入系统的方式有关,从世界范围来看,大型风电场(尤其是近海大型风电场)的接入主要采取交流与柔性直流2种方式[8]。交流接入系统技术较成熟,系统可靠性高,工程实际中适合于短距离风电场接入系统,然而由于海底电缆充电功率较大,需要在近海风电场汇流母线上加装静止无功补偿器(SVC )、静止同步补偿器(STA TCOM )等无功补偿设施。

随着电力电子技术、尤其是以全控型电力电子

器件为基础的电压源型换流器(VSC )技术的发展,

柔性直流输电(基于VSC 的高压直流输电(VSC 2HVDC ))以其高度的经济性、灵活性与可控性首先在中低压输配电、分布式发电等领域得到推广应用[9210],并且与传统电流源换流型直流输电相比,在响应特性和控制手段等方面有其特别之处。文献[11]基于MA TLAB 和EM TDC 开发了柔性直流输电的开关函数模型。文献[12]基于一个多机模型研究了适用于柔性直流输电系统的控制策略。目前,对于单台风机建模或柔性直流输电相关问题的研究很多,而柔性直流输电技术在风电并网方面的研究却鲜有报道。本文基于PSS/E 仿真软件建立了柔性直流输电风电场接入的多机模型,其中风电场以多机模拟,力图为实际工程积累一定的经验。

1　风电系统建模

111　PSS/E 仿真工具

PSS/E 是美国P TI 电力技术咨询公司(现属于西门子公司)专为输电系统分析而设计的综合仿真

软件包,是世界电力工业中最广泛应用的电力系统分析软件之一。PSS/E 230版本处理的电力网络的最大规模为5万条母线、10万条线路、10万个负荷以及1.2万台发电机。

PSS/E 具有强大灵活的自定义功能,本文的研究即基于其提供的风力发电自定义工具包完成[13]。112　双馈式风力发电机建模

双馈式风力发电机(以下简称双馈式风机)是变速运行风机的一种,其模型如图1所示,由风机、齿轮箱、双馈感应发电机(DFIG )、脉冲宽度调制(PWM )变频器和直流侧电容器等组成。双馈式风机的定子与电网直接连接,而转子则是通过2个变

7第31卷　第14期

2007年7月25日

Vol.31　No.14

J uly 25,2007

频器连接到电网中。这种风机可以在大范围速度内

运行,与电网之间实现能量双向传输。当风机运行在超同步速度时,功率从转子流向电网;而当运行在次同步速度时,功率从定子流向转子。控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功率和无功功率,参与系统的无功调节,提高系统的稳定性。因此,双馈式风机不需要并联电容器来进行无功补偿,同时还可以追踪最大风能,降低有功输出的波动,降低机组机械应力;在转子侧控制功率因数,提高电能质量,实现安全、便捷并网

。

图1　双馈式风机模型

Fig.1　Model of DFIG wind turbine

就单台风力发电系统而言,在PSS/E 中的建模

可以分为电机控制模型、电机及变流器模型、风机及风机控制模型、风力模型等几个部分,它们之间的联系如图2所示

。

图2　PSS/E 中双馈式风机的模型框图

Fig.2　Dynamic model of DFIG wind turbine in PSS/E

需要说明的是,风机及风机控制模型用以下方程组来描述[13]:

d δW

d t =ωW -ωW0=ΔωW

(1)d δG

d t

=ωG -ωG 0=Δ

ωG (2)H W d ΔωW

d t

=τW -K δW -δG v -D ΔωW -ΔωG v (3)

H G d ΔωG d t =τG +

K δW -δG

v +D ΔωW -ΔωG v

v

(4)

式中:下标W 代表风机,G 代表发电机;H 为惯性常量;δ为扭转角度;τ为扭矩;D 为阻尼系数;K 为刚性系数;v 为齿轮箱的增速比;ω为转速。

依据建模的详细程度,异步发电机可以用3阶和5阶模型描述,其基本的能量转换关系为:

d ωG d t =12H m

(T m -T e )(5)式中:H m 为发电机的转动惯量;T m 为机械功率;T e 为电磁功率,T e 随模型阶数而异,具体可见文献[13],这里不再赘述。

在PSS/E 的仿真过程中,风机系统按照图2所示的模块分为若干自定义模型,模型间利用PSS/E 的通用数据堆栈交换仿真信息。

113　VSC 2HV DC 的机电暂态仿真建模

在动态仿真中,潮流计算为动态仿真状态量的初始化做准备。在PSS/E 中,一个VSC 2HVDC 系统由一组稳态数据(包括运行方式

、有功和无功运行限值、直流线路电阻等特征参数)表征,并且与其余的交流系统的稳态数据一起参与潮流的迭代求解。由于VSC 2HVDC 具有其技术上的特殊性,尤其是根据其传输有功、无功的不同,可以形象地把它看做运行于4个象限。在PSS/E 中,VSC 2HVDC 的典型潮流特性如图3所示[14]。

图3　VSC 2HV DC 的典型潮流特性

Fig.3　T ypical pow er flow characteristics of VSC 2HV DC

PSS/E 3012版中提供的模拟VSC 2HVDC 的模型称为VSC 直流输电(VSCDC T )模型,机电暂态的动态仿真的主要目的是评估VSC 2HVDC 系统同与其相连的交流系统间的交互作用,特别是考察其

独有的控制特性在动态过程中对外部交流系统的影响。因此,VSCDC T 模型主要是模拟柔性直流系统级的动态特性,而换流器内部的电磁暂态特性是不予考虑的。从这个角度看,VSCDC T 模型是一种准稳态的响应特性模型,其适用的频率范围是0Hz ～30Hz 。

1

7?研制与开发?　常　勇,等　大型风电场接入系统方式的仿真比较

VSCDCT 模型由3个子模块构成,分别是2个

模拟两端VSC 的模型(VSCD YN )以及1个模拟直流线路特性的模型(DCL IN E )。三者的逻辑关系可以简单地由图4表示

。

图4　PSS/E 中的V SCDCT 模型Fig.4　Model of V SCDCT in PSS/E

依据所设定的稳态数据中工作模式控制字的不

同,VSCDC T 模型可以工作在协调输电状态或者独立运行状态。在第1种工作状态中,直流线路模块按照既定的功率特性曲线协调控制2个换流器模块的有功、无功输出;在第2种工作状态中,两侧换流器分别单独作为STA TCOM 运行。与PSS/E 中的传统直流模型一样,VSCDC T 模型具有接受系统级的功率调制控制的能力,适用于研究VSC 2HVDC 在附加控制信号下的动态响应特性。114　交流及直流接入方式

在本文的研究中,以修改后的美国西部电网(WSCC )3机9节点系统作为研究对象。系统参数见文献[15]。研究中将原系统中的3号发电机改为装机容量85MW 的风电场,主设备选用美国GE 能源集团公司的GE115SLe 风机,单机容量115MW ,规划安装55台。在本文的研究中,各台风机经汇流母线后升压至35kV 进而接入230kV 系统,2种不同的接入拓扑结构如图5所示。需要指出的是,以交流作为接入手段时,需要在风电场汇流母线上加设SVC 。风电场的拓扑如图6所示

。

图5　风电场柔性直流输电及高压交流输电

Fig.5　Wind farm integration with

V SC 2HV DC or HVAC

GE115SLe 风机额定有功为115MW ,额定无功输出调节范围为-0.90～0.95(标幺值),即相当

于-0173Mvar ～0149Mvar ,风机的额定容量为1167MVA 。由此,仿真中选择机端升压变压器容量为2MVA ,漏抗为4%

。

图6　风电场系统接线示意Fig.6　Scheme of the wind farm

2　故障特性分析

211　逆变侧8号母线故障

首先研究距离风电接入点(point of common

coupling )具有一定电气距离的8号母线三相短路接地故障时的情况,故障在t =1.0s 时发生,在t =111s 时清除,故障过程中的风机有功输出、风机出口母线电压、故障母线电压、整流侧换流器的功率和逆变侧换流器功率的动态响应分别如图7～图11所示。图中,整流侧和逆变侧换流器功率、母线电压均为标幺值

。

图7　风机有功输出

Fig.7　Active pow er of wind

turbine

图8　风机出口母线电压

Fig.8　V oltage of wind turbine terminal bus

2

7 2007,31(14)

图9　故障母线电压

Fig.9　V oltage of the fault

bus

图10　整流侧换流器的功率

Fig.10　Active and reactive pow er of rectif

ier

图11　逆变侧换流器的功率

Fig.11　Active and reactive pow er of inverter

从图7可见,柔性直流接入方式故障后风机有功输出波动明显较小。由图10和图11可知,柔性直流接入方式在故障后向系统提供紧急的无功支援,因此风电场内风机出口电压跌落并不明显,风机的低压切机保护不动作,图8和图9的仿真结果有力地证明了这一结果。而交流接入方式下,远端的故障使得风电场风机母线电压随之变化,电压跌落严重,风电场无功支持不足,这对于风电场故障下的恢复特性十分不利。212　单台风机出口母线故障

单台风机出口母线故障过程中的9号母线的电压、风机有功输出、整流侧换流器的功率和逆变侧换流器的功率的动态响应分别如图12～图15所示。

故障在t =1.0s 时发生,在t =1.1s 时清除

。

图12　9号母线的电压Fig.12　V oltage of bus

9

图13　风机有功输出

Fig.13　Active pow er of wind

turbine

图14　整流侧换流器的功率

Fig.14　Active and reactive pow er of rectif

ier

图15　逆变侧换流器的功率Fig.15　Active and reactive pow er of inverter

3

7?研制与开发?　常　勇,等　大型风电场接入系统方式的仿真比较

从图12可以看出,当故障发生在VSC2HVDC 的整流侧风机出口时,整流侧9号母线电压仅有微小波动。相应地,观察图14和图15可见,整流侧无功调制为整流侧的交流电网提供了电压支撑。而在交流接入的情况下,在风电场内发生的故障使得9号母线电压跌落到012。也就是说,VSC2HVDC 通过在故障发生后的紧急无功支撑实现了隔离故障影响的目的。同时从图13可见,柔性直流接入方式下风电场出力的波动明显较轻,故障后风电场的恢复特性也很好。

3　结语

随着我国对绿色能源需求的增大,近海大型风电场建设受到科研人员越来越多的关注。风电场接入方式的选择是实际工程中首要考虑的问题。电力电子技术的发展使VSC2HVDC技术日臻完善,在世界范围内的应用日渐广泛。本文比较了VSC2 HVDC与HVAC这2种接入方式。基于PSS/E中的VSCDC T模型以及风力发电软件包分析了故障下风电场的故障特性。结果表明,在远距离近海风电场接入工程中,无论故障发生在整流侧或逆变侧, VSC2HVDC技术均可以提供无功支持,使系统电压及时恢复,保证风电场的不脱网运行,柔性直流接入方式与交流接入方式相比具有明显的优势。本文所得结果对于未来风电场经由柔性直流接入系统主网做了理论上的准备。

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常　勇(1979—),男,博士研究生,研究方向为交直流电力系统动态分析以及广域测控系统、分布式发电系统。E2mail:longbrave@https://www.360docs.net/doc/ee9906927.html,

徐　政(1962—),男,博士,教授,博士生导师,主要研究领域为直流输电与柔性交流输电、电力谐波与电能质量、电力市场及其技术支持系统等。

郑玉平(1964—),男,博士,教授级高工,主要从事电力系统继电保护设备的研发管理工作。

47 2007,31(14)

A Comparison of the Integration Types of Large Wind F arm

C HA N G Yong 1,X U Zheng 1,Z H EN G Yu ping 2

(1.Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China ;2.Nanjing Automatic Research Institute ,Nanjing 210003,China )Abstract :The HVAC (high voltage alternate current )and VSC 2HVDC (voltage sourced converters based high voltage direct

current )are the two main integration types nowadays.In this paper ,the HVAC and VSC 2HVDC are compared when they are used as the integration method.The test model is built in the PSS/E and its wind power package.The dynamic response is analyzed and conclusions are drawn.It ’s clear that in the fault situation the VSC 2HVDC can supply the power system with reactive power to help recover the wind farm.

This work is supported by National Science and Technology Research Program for the Eleventh Five 2Year (No.2006BAA02117).

K ey w ords :wind farm ;integration type ;doubly fed induction generator ;voltage stability ;PSS/E simulation

(上接第6页　continued f rom page 6)

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XU E Yusheng.The risk point of power grid analysis and control.The 22t h CUS 2EPSA ,Oct 12214,2006,Nanjing.

薛禹胜(1941—

),男,中国工程院院士,总工程师,博士生导师,主要从事电力系统自动化方面的研究工作。E 2mail :yxue @nari https://www.360docs.net/doc/ee9906927.html,

刘　强(1976—

),男,博士研究生,目前研究方向为电力系统分析。E 2mail :liuqiang76@https://www.360docs.net/doc/ee9906927.html,

Zhaoyang DON G ,Ph.D ,Associate Professor in University of Queensland.His research interests include power system stability and control ,power markets.E 2mail :zdong @https://www.360docs.net/doc/ee9906927.html,.au

A R eview of Non 2deterministic Analysis for Pow er System T ransient Stability

X U E Yusheng 1,2,L IU Qiang 2,1,Zhaoy ang DO N G 3,Gerard L ED W I C H 4,YUA N Yue 5

(1.Nanjing Automation Research Institute ,Nanjing 210003,China )

(2.Southeast University ,Nanjing 210096,China )

(3.University of Queensland ,Australia )

(4.Queensland University of Technology ,Australia )(5.Hohai University ,Nanjing 210098,China )

Abstract :The status of probabilistic analysis and risk assessments for transient stability is reviewed ,in terms of stochastic variables ,probabilistic models ,probabilistic algorithms ,deterministic transient stability consequence assessments of a specifically scenario and other aspects.The principle ,advantages and disadvantages of various assessment methods are summarized ,and the techniques capable of decreasing computation burden are discussed.The development direction of probability and risk assessments for transient stability is also explored.It is pointed out that using sensitivity analysis to reduce the number of simulation cases will considerably decrease computational burden.It is also proposed to use the optimum control cost to reflect economic loss due to the system instability ,which means using controllable outages to replace the uncontrolled outages and makes risk analysis practical.

This work is jointly supported by National Natural Science Foundation of China (No.50595413),State Grid Corporation of China (No.SGK J [2007]98)and Australian Research Council Project (No.DP0559461).

K ey w ords :transient stability ;probabilistic analysis ;risk assessment ;conditional probability ;Monte Carlo simulation

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