风力发电机接入配电网的暂态电压稳定分析

于向东

摘 要：介绍了基本概念的暂态稳定的配电网络和配电网综合教程（PSASP）的基本内容，并结合具体的实例，采用PSASP潮流计算的应用。线路故障临界清除时间用来描述配电网的暂态电压稳定性的量化指标，以动态系统wscc3机9节点直接驱动单元的时域仿真法和基于网络的风电场运营商在实例系统的暂态电压特性的仿真分析，研究结果表明，使用直接驱动的风电场机组故障的关键清除时间比原来的系统线路故障临界清除时间较长，因此，基于直接驱动风机接入系统可以提高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

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0062-01

安全、稳定和节约用电的配电网络是国民经济的命脉，一旦发生事故伤害电网的稳定性，将给国民经济造成巨大损失。配电网电压稳定作为配电网的稳定性的一个重要方面，它本身是一个动态的问题，由许多元素和控制系统动态特性的影响。近年来，由于其简单的空调，热泵系统的惯性，冰箱压缩机块低的时刻，以及与新的办公用品和其他类型的负载比电子控制电源近似恒功率特性的增加，系统更容易发生暂态电压失稳，对暂态电压稳定性研究受到越来越多的关注。

该文分析了在瞬态操作的直接驱动风力发电机的控制策略，保证直驱风力发电机的瞬态操作能力，并对并网风电场接入基于3机9节点算例系统进行动态模拟的方法，对比研究直接驱动单元的实例系统的暂态电压稳定性，结果显示直接驱动发电机接入的电力系统暂态电压稳定性的风电场的暂态电压稳定性都优于原有网络。

1 永磁直驱风电机组暂态的电压特性分析

当电网侧变流器采用直流电压的非恒功率因数控制模式，故障后的电网中的电压跌落由风力发电机组进行控制，而不是在电网电压提供调整和控制，暂态电压稳定性的无功支持参与制度，因此，为发挥直接驱动的风机的控制能力，使风机能够充分参与系统暂态电压控制而不间断提供电力，在直驱型风力发电机组的暂态电压控制模型的电网侧转换器和直接驱动单元，控制模型的控制框图如图1所示。

测得的故障发生时的电压值与参考电压设定值进行比较，误差值输入PI控制，永磁同步电机侧变流器需要无功功率参考值可通过调整PI控制器获得通过，的直接风机通过控制内部电流大度控制调整发出无功功率，使直驱型风机的端电压迅速恢复到给定值，为电网提供无功支持。

2 直驱风机数学模型

本文建立的直驱风机模型，用dq坐标系可表示为，

（1）

直驱风力发电机定子d、q轴电感分别表示为和；直驱风力发电机定子在d轴与q轴电流上的电流分量用和表示； 直驱风力发电机定子电阻表示为；直驱风力发电机定子磁场角频率为；直驱风力发电机转子极对数表示为，则有=，直驱风力发电机转子永磁体的磁链；直驱风力发电机定子d、q轴分量分别为和。定义q轴的反电势=，d轴的反电势为=0，假设发电机d轴与q轴电感相等，即==，则式（1）可以写成

（2）

电磁转矩表达式为：

（3）

若，则式（3）可以简化为

（4）

3 算例分析

图2是G2发电机35 kV母线电压曲线，在T=2.32 s系统故障，通过仿真计算，在直驱风机接入3机9节点系统的故障临界清除时间为0.32 s。基于直驱风机接入3机9节点的系统与原系统的故障临界清除时间的比较，与电网连接的风电场在3机9节点的直驱风机，能在一定程度上提高原系统的暂态电压稳定性。

4 结语

该文以直驱风机接入的配电网系统暂态电压稳定性为研究目标，建立的瞬态电压控制策略，通过仿真计算分析可以使直驱风机对配电网提供一定的无功功率支持，提高永磁同步直驱风力发电机组暂态稳定运行效率；在3机9节点算例系统中，暂态电压稳定性和并网风接入的情况下，在本文研究的控制策略下，可以接入更多的直驱型风机。算例分析表明，有风机接入的配网系统与无风机接入的配网系统相比，临界故障切除时间要有一定延长，因此直驱风机较其他类型的风机相比，能有效提高所接入的配电网的暂态电压稳定性。

参考文献

[1] 徐可，胡敏强，郑建勇，等.风力发电机无速度传感器网侧功率直接控制[J].配电网自动化，2006，30（23）：43-47.

[2] 汪令祥，张兴，张崇巍，等.基于位置观测的直驱系统无速度传感器技术[J].配电网自动化，2008，32（12）：78-82.

[3] 闫耀民，范瑜，汪至中.永磁同步风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报，2002，27（20）： 62-67.

[4] Yazdani A，Iravani R，A neutral-point clamped converter system fordirect-drive variable-speed wind power unit[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2006，21（2）：596-607.

[5] 姚骏，廖勇，庄凯.永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J].配电网自动化，2008，32（20）：88-92.

[6] 尹明，李庚银，张建成，等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，2007，31（15）： 61-65.

[7] 迟永宁，刘燕华，王伟胜，等.风电接入对配电网影响的研究[J].电网技术，2006，48（5）：38-44.

[8] 于德龙，赵海翔，曹娜.风电场接入地区电网的电压问题分析[J].中国电力，2006，39（6）：10-14.endprint

摘 要：介绍了基本概念的暂态稳定的配电网络和配电网综合教程（PSASP）的基本内容，并结合具体的实例，采用PSASP潮流计算的应用。线路故障临界清除时间用来描述配电网的暂态电压稳定性的量化指标，以动态系统wscc3机9节点直接驱动单元的时域仿真法和基于网络的风电场运营商在实例系统的暂态电压特性的仿真分析，研究结果表明，使用直接驱动的风电场机组故障的关键清除时间比原来的系统线路故障临界清除时间较长，因此，基于直接驱动风机接入系统可以提高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

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0062-01

安全、稳定和节约用电的配电网络是国民经济的命脉，一旦发生事故伤害电网的稳定性，将给国民经济造成巨大损失。配电网电压稳定作为配电网的稳定性的一个重要方面，它本身是一个动态的问题，由许多元素和控制系统动态特性的影响。近年来，由于其简单的空调，热泵系统的惯性，冰箱压缩机块低的时刻，以及与新的办公用品和其他类型的负载比电子控制电源近似恒功率特性的增加，系统更容易发生暂态电压失稳，对暂态电压稳定性研究受到越来越多的关注。

该文分析了在瞬态操作的直接驱动风力发电机的控制策略，保证直驱风力发电机的瞬态操作能力，并对并网风电场接入基于3机9节点算例系统进行动态模拟的方法，对比研究直接驱动单元的实例系统的暂态电压稳定性，结果显示直接驱动发电机接入的电力系统暂态电压稳定性的风电场的暂态电压稳定性都优于原有网络。

1 永磁直驱风电机组暂态的电压特性分析

当电网侧变流器采用直流电压的非恒功率因数控制模式，故障后的电网中的电压跌落由风力发电机组进行控制，而不是在电网电压提供调整和控制，暂态电压稳定性的无功支持参与制度，因此，为发挥直接驱动的风机的控制能力，使风机能够充分参与系统暂态电压控制而不间断提供电力，在直驱型风力发电机组的暂态电压控制模型的电网侧转换器和直接驱动单元，控制模型的控制框图如图1所示。

测得的故障发生时的电压值与参考电压设定值进行比较，误差值输入PI控制，永磁同步电机侧变流器需要无功功率参考值可通过调整PI控制器获得通过，的直接风机通过控制内部电流大度控制调整发出无功功率，使直驱型风机的端电压迅速恢复到给定值，为电网提供无功支持。

2 直驱风机数学模型

本文建立的直驱风机模型，用dq坐标系可表示为，

（1）

直驱风力发电机定子d、q轴电感分别表示为和；直驱风力发电机定子在d轴与q轴电流上的电流分量用和表示； 直驱风力发电机定子电阻表示为；直驱风力发电机定子磁场角频率为；直驱风力发电机转子极对数表示为，则有=，直驱风力发电机转子永磁体的磁链；直驱风力发电机定子d、q轴分量分别为和。定义q轴的反电势=，d轴的反电势为=0，假设发电机d轴与q轴电感相等，即==，则式（1）可以写成

（2）

电磁转矩表达式为：

（3）

若，则式（3）可以简化为

（4）

3 算例分析

图2是G2发电机35 kV母线电压曲线，在T=2.32 s系统故障，通过仿真计算，在直驱风机接入3机9节点系统的故障临界清除时间为0.32 s。基于直驱风机接入3机9节点的系统与原系统的故障临界清除时间的比较，与电网连接的风电场在3机9节点的直驱风机，能在一定程度上提高原系统的暂态电压稳定性。

4 结语

该文以直驱风机接入的配电网系统暂态电压稳定性为研究目标，建立的瞬态电压控制策略，通过仿真计算分析可以使直驱风机对配电网提供一定的无功功率支持，提高永磁同步直驱风力发电机组暂态稳定运行效率；在3机9节点算例系统中，暂态电压稳定性和并网风接入的情况下，在本文研究的控制策略下，可以接入更多的直驱型风机。算例分析表明，有风机接入的配网系统与无风机接入的配网系统相比，临界故障切除时间要有一定延长，因此直驱风机较其他类型的风机相比，能有效提高所接入的配电网的暂态电压稳定性。

参考文献

[1] 徐可，胡敏强，郑建勇，等.风力发电机无速度传感器网侧功率直接控制[J].配电网自动化，2006，30（23）：43-47.

[2] 汪令祥，张兴，张崇巍，等.基于位置观测的直驱系统无速度传感器技术[J].配电网自动化，2008，32（12）：78-82.

[3] 闫耀民，范瑜，汪至中.永磁同步风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报，2002，27（20）： 62-67.

[4] Yazdani A，Iravani R，A neutral-point clamped converter system fordirect-drive variable-speed wind power unit[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2006，21（2）：596-607.

[5] 姚骏，廖勇，庄凯.永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J].配电网自动化，2008，32（20）：88-92.

[6] 尹明，李庚银，张建成，等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，2007，31（15）： 61-65.

[7] 迟永宁，刘燕华，王伟胜，等.风电接入对配电网影响的研究[J].电网技术，2006，48（5）：38-44.

[8] 于德龙，赵海翔，曹娜.风电场接入地区电网的电压问题分析[J].中国电力，2006，39（6）：10-14.endprint

摘 要：介绍了基本概念的暂态稳定的配电网络和配电网综合教程（PSASP）的基本内容，并结合具体的实例，采用PSASP潮流计算的应用。线路故障临界清除时间用来描述配电网的暂态电压稳定性的量化指标，以动态系统wscc3机9节点直接驱动单元的时域仿真法和基于网络的风电场运营商在实例系统的暂态电压特性的仿真分析，研究结果表明，使用直接驱动的风电场机组故障的关键清除时间比原来的系统线路故障临界清除时间较长，因此，基于直接驱动风机接入系统可以提高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

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0062-01

安全、稳定和节约用电的配电网络是国民经济的命脉，一旦发生事故伤害电网的稳定性，将给国民经济造成巨大损失。配电网电压稳定作为配电网的稳定性的一个重要方面，它本身是一个动态的问题，由许多元素和控制系统动态特性的影响。近年来，由于其简单的空调，热泵系统的惯性，冰箱压缩机块低的时刻，以及与新的办公用品和其他类型的负载比电子控制电源近似恒功率特性的增加，系统更容易发生暂态电压失稳，对暂态电压稳定性研究受到越来越多的关注。

该文分析了在瞬态操作的直接驱动风力发电机的控制策略，保证直驱风力发电机的瞬态操作能力，并对并网风电场接入基于3机9节点算例系统进行动态模拟的方法，对比研究直接驱动单元的实例系统的暂态电压稳定性，结果显示直接驱动发电机接入的电力系统暂态电压稳定性的风电场的暂态电压稳定性都优于原有网络。

1 永磁直驱风电机组暂态的电压特性分析

当电网侧变流器采用直流电压的非恒功率因数控制模式，故障后的电网中的电压跌落由风力发电机组进行控制，而不是在电网电压提供调整和控制，暂态电压稳定性的无功支持参与制度，因此，为发挥直接驱动的风机的控制能力，使风机能够充分参与系统暂态电压控制而不间断提供电力，在直驱型风力发电机组的暂态电压控制模型的电网侧转换器和直接驱动单元，控制模型的控制框图如图1所示。

测得的故障发生时的电压值与参考电压设定值进行比较，误差值输入PI控制，永磁同步电机侧变流器需要无功功率参考值可通过调整PI控制器获得通过，的直接风机通过控制内部电流大度控制调整发出无功功率，使直驱型风机的端电压迅速恢复到给定值，为电网提供无功支持。

2 直驱风机数学模型

本文建立的直驱风机模型，用dq坐标系可表示为，

（1）

直驱风力发电机定子d、q轴电感分别表示为和；直驱风力发电机定子在d轴与q轴电流上的电流分量用和表示； 直驱风力发电机定子电阻表示为；直驱风力发电机定子磁场角频率为；直驱风力发电机转子极对数表示为，则有=，直驱风力发电机转子永磁体的磁链；直驱风力发电机定子d、q轴分量分别为和。定义q轴的反电势=，d轴的反电势为=0，假设发电机d轴与q轴电感相等，即==，则式（1）可以写成

（2）

电磁转矩表达式为：

（3）

若，则式（3）可以简化为

（4）

3 算例分析

图2是G2发电机35 kV母线电压曲线，在T=2.32 s系统故障，通过仿真计算，在直驱风机接入3机9节点系统的故障临界清除时间为0.32 s。基于直驱风机接入3机9节点的系统与原系统的故障临界清除时间的比较，与电网连接的风电场在3机9节点的直驱风机，能在一定程度上提高原系统的暂态电压稳定性。

4 结语

该文以直驱风机接入的配电网系统暂态电压稳定性为研究目标，建立的瞬态电压控制策略，通过仿真计算分析可以使直驱风机对配电网提供一定的无功功率支持，提高永磁同步直驱风力发电机组暂态稳定运行效率；在3机9节点算例系统中，暂态电压稳定性和并网风接入的情况下，在本文研究的控制策略下，可以接入更多的直驱型风机。算例分析表明，有风机接入的配网系统与无风机接入的配网系统相比，临界故障切除时间要有一定延长，因此直驱风机较其他类型的风机相比，能有效提高所接入的配电网的暂态电压稳定性。

参考文献

[1] 徐可，胡敏强，郑建勇，等.风力发电机无速度传感器网侧功率直接控制[J].配电网自动化，2006，30（23）：43-47.

[2] 汪令祥，张兴，张崇巍，等.基于位置观测的直驱系统无速度传感器技术[J].配电网自动化，2008，32（12）：78-82.

[3] 闫耀民，范瑜，汪至中.永磁同步风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报，2002，27（20）： 62-67.

[4] Yazdani A，Iravani R，A neutral-point clamped converter system fordirect-drive variable-speed wind power unit[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2006，21（2）：596-607.

[5] 姚骏，廖勇，庄凯.永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J].配电网自动化，2008，32（20）：88-92.

[6] 尹明，李庚银，张建成，等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，2007，31（15）： 61-65.

[7] 迟永宁，刘燕华，王伟胜，等.风电接入对配电网影响的研究[J].电网技术，2006，48（5）：38-44.

[8] 于德龙，赵海翔，曹娜.风电场接入地区电网的电压问题分析[J].中国电力，2006，39（6）：10-14.endprint