永磁式直驱机组风电场对电力系统暂态稳定性的影响

李 伟，管 健

（吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022）

永磁式直驱机组风电场对电力系统暂态稳定性的影响

李 伟，管 健

（吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022）

研究了采用直驱风机的大规模风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。从理论上分析了直驱风机的变流器对风机特性影响的机理；基于直驱风机风场的数学模型，计算了故障后以故障临界切除时间表征的系统暂态稳定性；通过仿真计算，揭示了直驱风机和同步机对电网稳定性的影响，验证了理论分析结果。得出结论为直驱机组风电场的接入可能增强也可能削弱所接入系统的稳定性，主要取决于输出功率，但影响程度比同步机小。

风电场；直驱风机；暂态稳定性；临界切除时间

随着建设资源节约型、环境友好型社会的大力推进，我国以风能、光能和核能为代表的新能源的开发利用逐渐加速。其中风能因开发相对较早，技术较为成熟而成为新能源开发利用的主要形式。由于适宜开发风能的地区主要集中在我国东北、西北等电网较为薄弱的地区，风电场所在地电网消纳能力有限，近年来通过建设大规模风电基地并通过500 kV电压等级远距离外送成为类似地区并网型风力发电主要的消纳形式。而且随着风力发电技术的快速发展，风电机组经历了从恒速定频风电系统到变速恒频风电系统的过程，典型的代表是异步风力发电机组和双馈风力发电机组。最近一段时期，属于变速恒频风电系统的直驱式永磁风力发电机组（Direct-driven Wind Turbine With Permanent Magnet Synchronous Generators，DPMSG）因单机容量大、故障率低、噪音低、系统效率高等优点越来越多被采用。在此基础上直驱风机的动态特性机控制策略成为热点问题［1-8］，但机理型的研究较少。

本文首先建立完整的直驱风电机组的动态数学模型，以此为基础对直驱风电机组的特性进行了机理分析，然后利用PSD-BPA仿真软件平台对某实际大型风电基地送出系统暂态稳定性进行计算，通过与同步发电机的对比，研究了直驱风电机组对电力系统暂态稳定性的影响。

1 直驱风电机组模型

直驱风电机组主要由风机、永磁同步发电机、换流器及其控制系统等组成，如图1所示。

1.1 风速模型

图1 永磁直驱风电机组结构

实际应用中根据需要可选3种风速中的任意几种进行组合来考虑风速的影响。

1.2 风力机输出特性模型

风力机叶片从来风中捕获的风能Pw：

式中：ρ为空气密度；R为风机叶片半径；Vw为风速；Cp为风能利用系数，是桨距角β和叶尖速率比λ（λ＝ωmR／Vw，ωm为风力机角速度） 的函数，即： Cp＝f（β， λ） 。

风电机组有功功率取决于风速的大小，不同结构及原理的风机有功功率不同。以变桨距风电机为例，稳态情况下，风速和输出功率之间的关系如图2所示。

图2 风机功率特性曲线

1.3 轴系模型

直驱风机轴与发电机轴刚性连接，可以采用集中质量块模型：

式中：Tj为机组惯性时间常数；Tw为机械转矩；Te为电磁转矩；Dm为机组转子阻尼系数；ωr为发电机转子角速度。

1.4 发电机模型

除以永磁体取代励磁绕组，永磁发电机与一般的同步发电机相似，其在d-q旋转坐标系下电压方程为

式中：uds，uqs，ids，iqs分别为发电机定子直轴交轴的电压电流；Ld，Lq分别为定子的直轴交轴电感；

1.5 换流器模型

换流器将发电机输出的频率和电压变化的电能转换成为频率和电压可控的电能并馈入电网，主要由发电机侧换流器、平波电感、电网侧换流器和直流环节构成，忽略两侧平波电感影响，全功率换流器等效电路如图3所示。r为定子电阻；ω＝npωr是定子电角速度；np是发电机极对数；Ψ是风力发电机的永磁体转子磁链，为定值。

电磁转矩：

发电机输出电磁功率：

图3 换流器等值电路

电机侧换流器采用转子磁链定向控制，此时发电机输出功率由式 （6）转变为

由式 （7）可见，通过iqs控制发电机有功功率Ps，通过ids控制无功功率Qs，实现了功率控制的解耦。

网侧换流器采用电压定向矢量控制技术，由于电压矢量定向在d轴，此时uqg＝0，变流器在d-q坐标系下电压：

式中：rg，Lg为网侧换流器进线电抗器的电阻和电感；ud，uq为网侧换流器控制电压的直轴交轴分量；udg，uqg，idg，iqg为电网电压和电流的直轴交轴分量；ωg为电网的同步角速度。

电网侧输出功率：

由式 （9）可见，通过idg控制并网的有功功率Pg，通过iqg控制无功功率Qg，通过调节电流矢量的轴分量对功率进行解耦控制，可单位功率因数运行。

不考虑换流器损耗功率，直流环节的电容动态过程为

网侧变流器的控制目标之一就是维持电容电压处于恒定状态。

2 机理分析

直驱风电系统采用永磁体对同步电机励磁，低转速的风力机可以与多极对数的发电机直接连接，省却了变速环节。同步机输出功率全部通过换流器并转换为以电网可接受参数表征的电功率进入电网。

2.1 正常运行

正常运行时，机侧换流器根据随机变化的风能情况实现对最大功率的追踪或保持恒功率运行状态，控制手段是改变发电机的电流。电流变化后电磁转矩随之改变，在风力机机械转矩的共同作用下改变了轴系的转速，实现了对发电机输出功率的控制调节。电网侧换流器控制目标是追踪发电机输入到换流器的有功功率，使其输出到电网的有功功率与前者一致，控制手段是保持换流器直流环节中电容的电压保持稳定。由于采用了解耦控制，换流器能独立对无功功率进行控制调整，可以得到需要的功率因数。

2.2 故障运行

当电网故障时，网侧换流器检测到网端电压降低，主要控制目标由有功功率变为无功功率，可以迅速降低馈入电网的有功功率，提高馈入电网的无功功率，起到了维持电网电压的作用。在此过程中发电机输入变流器的有功功率不能完全馈入电网导致直流环节电压升高，为保护电容通过电阻消耗多余的能量使直流电压保持稳定。多余能量的消耗减小了风力发电机输入到变流器功率及其轴系转速的变化，提高了机组自身的稳定性。

由以上分析，换流器不仅是功率通道，更重要的是其对功率转换过程的控制。通过其对正常运行和故障状态有功功率和无功功率的控制，将风力发电机和电网隔离开来，减少了电网对风力发电机的冲击，提高机组自身的稳定性；同时通过增加无功功率的输出提高电网的稳定性。该能力等效为低电压穿越能力［6］，但低电压穿越能力越大对变流器相关设备的参数要求越高。

3 算例分析

3.1 算例系统

本文采用的仿真工具为电力系统分析软件PSD -BPA4.0。算例系统为一个大规模风电基地送出系统，如图4所示。风电场A和B经过220 kV线路送入500 kV变电站。火电厂电力通过500 kV直接送出。节点1和2与主系统3距离较远。风电厂采用前文所述直驱风电系统等值机模型。火电厂同步机组包含原动机、调速系统、励磁部分，发电机采用6阶模型。

图4 算例电网示意

3.2 稳定性算例分析

采用故障极限切除时间 （CCT）表征电网暂态稳定性。即极限清除时间越长系统的暂态稳定性越强。故障取线路同塔异名相短路接地，发生时刻为1 s。

考虑通过4个算例对系统暂态稳定性进行分析。算例1：节点2无电源接入，计算1-3和2-3线路同塔异名相短路故障时的极限切除时间。算例2：节点2接入2座直驱风机风电场在不同出力下计算1-3和2-3线路同塔异名相短路故障时的极限切除时间。算例3：节点2接入1座直驱风机风电场和1座同容量火电厂在不同出力下计算1-3和2-3线路同塔异名相短路故障时的极限切除时间。算例4：节点2接入2座同容量火电厂在不同出力下计算1-3和2-3线路同塔异名相短路故障时的极限切除时间。

各个算例结果分别如表1-表4所示。算例1故障1极限切除时间0.185 s，故障2极限切除时间0.152 s，由于500 kV电压等级送电线路输送容量大，极限切除时间较短。经过分析各表数据并将数据对比可见，在出力逐渐增加时，直驱风机和同步机都可以提高系统暂态稳定性，当出力增加到一定程度反而降低了系统的稳定性；不同的是直驱风机提高的程度比同步机大，降低的程度比同步机小，表明直驱风电机组具有比同步机组更好的系统暂态稳定性能。

表1 算例1对应的CCT结果

表2 算例2对应的CCT结果

表3 算例3对应的CCT结果

表4 算例4对应的CCT结果

4 结论

本文分析了采用永磁直驱型风电机组的大型风电场的接入对系统暂态稳定性的影响，通过理论分析和对某一实际系统的仿真计算，得到以下结论。

a.直驱型风机经过变流器接入系统，在变流器的控制作用下将发电机组与电网隔离，减少了电网故障对机组的冲击，在故障状态下还可以向系统补充无功功率以提高电压，不仅有利于系统的暂态稳定性，而且通过内部电阻消耗过剩能量提高风电机组自身的稳定性能，从理论上优于一般的同步发电机组。

b. 直驱机组对系统暂态稳定性的影响与其出力关系较大，随着出力的增加，其对稳定性有利的程度减弱，甚至降低系统稳定性。但与同步机相比，增加程度比降低程度弱。

c. 下一步研究重点是双馈风机与直驱风机动态特性及大规模接入对系统稳定性影响的区别，为新建风电场机组的选型提供理论和技术支持。

［1］ 尹 明，李庚银，张建成.直驱式永磁同步风力发电机组建模机其控制策略 ［J］.电网技术，2007，31（15）：61-65.

［2］ 胡书举，李建林，许洪华.永磁直驱风电系统变流器拓扑分析 ［J］.电力自动化设备，2008，28（4）：77-81.

［3］ 张 梅，何国庆，赵海翔.直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真 ［J］.中国电力，2008，41（6）：79-84.

［4］ 田春笋，李琼林，宋晓凯.风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析 ［J］.电力系统保护与控制，2009，37（19）：46-50.

［5］ 李 辉，韩 力，赵 斌，等.风力机等效模型对机组暂态稳定性分析结果的影响 ［J］.电机工程学报，2008，28（17）：105-111.

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［7］ 赵清松，徐建源，李胜辉.变流器瞬时功率平衡理论在直驱永磁风力发电机组低电压穿越中的应用 ［J］.东北电力技术，2012，33（11）：5-9.

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Effect on Transient Stability of Power System for DPMSG Wind Farm

LI Wei，GUAN Jian
（Jilin Electric Power Survery＆Design Institute，Changchun，Jilin 130022，China）

The impact of large scale wind farm using the models of DPMSG （direct⁃driven wind turbine with permanent magnet syn⁃chronous generators）on power system transient stability is studied in this paper.In theory，the transient stability mechanism of DPMSG is analyzed.Based on mathematical model of wind farms，transient stability charactered CCT（critical clearing time）is simulated when grid default is occurred.Through simulation，the impact of wind farms and generators on grid transient stability is revealed，the theoret⁃ical analysis is verified.There is conclusions that whether transient stability is weaken or strengthened by DPMSG depends on its output power，the impact level of DPMSG is lower than generator.

Wind farm；DPMSG；Transient stability；CCT

TM614；TM712

A

1004-7913（2015）11-0027-04

李 伟 （1974—），男，博士，工程师，现从事电网规划及设计工作。

2015-08-10）