基于改進(jìn)槳距角控制的風(fēng)電場功率振蕩分析

0小干擾穩(wěn)定性分析方法風(fēng)電站安裝的擴(kuò)展將極大地影響著系統(tǒng)。研究風(fēng)電站合并后，系統(tǒng)的影響已成為一個(gè)值得關(guān)注的話題。已有很多學(xué)者研究風(fēng)電場對(duì)系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定的影響,但對(duì)小干擾穩(wěn)定性問題的研究卻比較少。并網(wǎng)風(fēng)電容量的增加有可能對(duì)系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生不利的影響,特別是風(fēng)電場位于偏遠(yuǎn)地區(qū),裝機(jī)容量較大時(shí),需經(jīng)長線路輸入系統(tǒng),此時(shí)風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及阻尼特性的影響、風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的規(guī)律等問題就顯得尤為重要。文獻(xiàn)分析了大容量風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響,討論了不同運(yùn)行方式下風(fēng)電場對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響。文獻(xiàn)建立了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的小干擾穩(wěn)定模型,分析了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響,并且通過控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)阻尼特性,提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)建立了風(fēng)電場模型,通過改變風(fēng)電場與系統(tǒng)間的聯(lián)系阻抗和風(fēng)電場出力,對(duì)含風(fēng)電場的單機(jī)無窮大系統(tǒng)和3機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了小干擾穩(wěn)定性分析。文獻(xiàn)建立了采用異步風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場的小干擾動(dòng)態(tài)模型,研究了異步風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)問題。本文應(yīng)用小干擾穩(wěn)定性分析方法,在推導(dǎo)出異步風(fēng)電機(jī)組線性化狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上,利用DIgSILENT/PowerFactory進(jìn)行頻域分析和時(shí)域仿真,分析異步風(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及阻尼特性的影響。提出主動(dòng)失速異步風(fēng)電機(jī)組槳距角控制方案,對(duì)抑制系統(tǒng)低頻功率振蕩具有很好的效果,提高了接入異步風(fēng)電場的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。1數(shù)學(xué)模型1.1風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)及風(fēng)速模型風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率的關(guān)系為:Ρw=12ρπR2Cp(β,λ)V3eqPw=12ρπR2Cp(β,λ)V3eq式中:Pw為風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率;Tw為風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩;ρ為空氣密度;R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑;β為槳距角;λ=Rωt/Veq,為葉尖速比;ωt為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速;Veq為風(fēng)速;Cp為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩方程為:Τw=12ρπR3Cp(β,λ)V2eqλ(1)Tw=12ρπR3Cp(β,λ)V2eqλ(1)1.2風(fēng)力機(jī)槳距控制當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),為更有效地利用風(fēng)能,風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)將發(fā)生相應(yīng)的變化,為保證風(fēng)力機(jī)的輸出平穩(wěn),需要對(duì)風(fēng)力機(jī)的槳距角進(jìn)行調(diào)整。槳距角控制系統(tǒng)用下式表達(dá):dβdt=1Τβ(β0-β)(2)dβdt=1Tβ(β0?β)(2)式中:β0為槳距角初始值;Tβ為槳距角控制系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)。1.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速軸不穩(wěn)定區(qū)域軸系一般包括低速軸、齒輪箱和高速軸3個(gè)部分。本文采用兩質(zhì)塊模型來表示軸系,分別由風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的慣量表示,如圖1所示。圖1中風(fēng)力機(jī)的低速軸與發(fā)電機(jī)的高速軸為柔性連接;而發(fā)電機(jī)的高速軸可以認(rèn)為是剛性的。軸系模型為:{Τtdωtdt=Τw-ΤshΤJdωrdt=Τsh-Τrdθwdt=(ωt-ωr)ω0(3)Τsh=Κθw+Ddθwdt(4)?????????Ttdωtdt=Tw?TshTJdωrdt=Tsh?Trdθwdt=(ωt?ωr)ω0(3)Tsh=Kθw+Ddθwdt(4)式中:Tt和TJ分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tw,Tsh,Tr分別為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、軸系轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩(標(biāo)幺值);ωt和ωr分別為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值);ω0為定子磁場轉(zhuǎn)速,即系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值取1.0);θw為軸系扭曲角度;K為軸的剛度系數(shù);D為軸的阻尼系數(shù)。考慮到s=(ωr-ω0)/ω0,同時(shí)將式(4)代入式(3)得到:{Τtdωtdt=Τw-Κθw-D[ωt-(sω0+1)]ω0ΤJω0dsdt=Κθw+D[ωt-(sω0+1)]ω0-Τrdθwdt=[ωt-(sω0+1)]ω0(5)?????????Ttdωtdt=Tw?Kθw?D[ωt?(sω0+1)]ω0TJω0dsdt=Kθw+D[ωt?(sω0+1)]ω0?Trdθwdt=[ωt?(sω0+1)]ω0(5)1.4cs1t0的設(shè)計(jì)異步風(fēng)電機(jī)組采用異步發(fā)電機(jī),忽略異步發(fā)電機(jī)的定子電磁暫態(tài)過程,以定子暫態(tài)電抗后電勢(shì)表示的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁暫態(tài)方程為:{dEd′dt=-X-X′Τ0′iqs-1Τ0′Ed′+sω0Eq′dEq′dt=X-X′Τ0′ids-sω0Ed′-1Τ0′Eq′(6)?????dEd′dt=?X?X′T0′iqs?1T0′Ed′+sω0Eq′dEq′dt=X?X′T0′ids?sω0Ed′?1T0′Eq′(6)式中:X′=ω0(LssLrr-L2m)LrrX′=ω0(LssLrr?L2m)Lrr;X=ω0Lss;Τ0′=LrrRrT0′=LrrRr;下標(biāo)d和q分別表示d軸和q軸分量;下標(biāo)s和r分別表示定子和轉(zhuǎn)子分量;Lm為定、轉(zhuǎn)子互感;Lss為定子自感;Lrr為轉(zhuǎn)子自感。發(fā)電機(jī)電磁功率用電壓、電流分量表示為:Te=Ed′ids+Eq′iqs(7)根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,有ΤJω0dsdt=Τr-Τe(8)TJω0dsdt=Tr?Te(8)整理上述微分方程,并在其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)處線性化,得到以Δβ,Δωt,Δs,Δθw,ΔEd′,ΔEq′為狀態(tài)變量的異步風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)方程。2槳距角控制系統(tǒng)對(duì)于常規(guī)的火電機(jī)組,在系統(tǒng)頻率(即機(jī)組轉(zhuǎn)速)變化時(shí),同步發(fā)電機(jī)通過向系統(tǒng)增加或者減少注入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生低頻功率振蕩時(shí)同樣會(huì)影響到系統(tǒng)頻率,可以采用控制向系統(tǒng)注入功率多少對(duì)功率振蕩進(jìn)行阻尼和抑制。很多異步風(fēng)電機(jī)組是采用主動(dòng)失速槳距角控制方案的,文獻(xiàn)對(duì)主動(dòng)失速風(fēng)電機(jī)組有詳細(xì)描述,對(duì)于其主動(dòng)失速控制作用在文獻(xiàn)中有各種動(dòng)態(tài)行為的仿真分析。本文利用這個(gè)特點(diǎn)在異步風(fēng)電機(jī)組槳距角控制系統(tǒng)中增加系統(tǒng)頻率輸入量,控制風(fēng)力機(jī)槳距角,使風(fēng)電機(jī)組輸出與系統(tǒng)低頻功率振蕩相關(guān)的阻尼功率,減小系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。要使異步風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)削弱或者抑制系統(tǒng)功率振蕩的目的,槳距角控制模塊就必須在系統(tǒng)頻率升高時(shí)調(diào)整槳距角降低風(fēng)電機(jī)組功率輸出,而在系統(tǒng)頻率降低時(shí)增加風(fēng)電機(jī)組功率輸出。槳距角控制模型如圖2所示。圖2中:fset為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行頻率,即槳距角控制系統(tǒng)的參考頻率值;fmeas為系統(tǒng)實(shí)際測量頻率;2個(gè)頻率值產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)過頻率/功率轉(zhuǎn)換模塊(斜率為負(fù)的線性函數(shù))后形成了功率差值Pdif;Pset為功率設(shè)置值(額定值);Pmeas為風(fēng)電機(jī)組實(shí)際輸出功率測量值;功率調(diào)節(jié)信號(hào)Perr經(jīng)過一個(gè)PID控制器(包括比例、積分、微分環(huán)節(jié))形成槳距角控制參考值βref,輸入槳距角控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角。PID控制器的各控制參數(shù)對(duì)于槳距角控制系統(tǒng)尤為重要,需要充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),在風(fēng)電機(jī)組不同的葉尖速比情況下,槳距角調(diào)節(jié)的速率(dP/dθ)是不同的,即PID控制器的參數(shù)需要根據(jù)葉尖速比進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外,由于風(fēng)力機(jī)槳距角控制需要機(jī)械系統(tǒng)才能完成,相對(duì)于系統(tǒng)頻率變動(dòng)的速度,槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在時(shí)間滯后,在調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)某翱刂啤?基于6階模型的仿真風(fēng)電場接入系統(tǒng)方式如圖3所示。圖中:G1為額定容量300MVA的同步發(fā)電機(jī);G2為系統(tǒng)平衡機(jī),額定容量700MVA,以單臺(tái)同步發(fā)電機(jī)代替。仿真系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)采用6階模型。由于風(fēng)電機(jī)組額定容量較小,而線路損耗較大,仿真系統(tǒng)中采取200臺(tái)機(jī)組并聯(lián)接入的方式。風(fēng)電場接入不會(huì)改變地區(qū)G1與系統(tǒng)等值機(jī)之間的功率傳輸,風(fēng)電功率由系統(tǒng)等值機(jī)平衡。風(fēng)電機(jī)組額定功率850kW,機(jī)端電壓690V,機(jī)組參數(shù)(以機(jī)組本身額定容量為基準(zhǔn)值)如下:X=0.125,X′=0.308,T0′=0.04s,D=5×105N·m·s/rad,TJ=18.03kg·m2,f0=50Hz,Tt=9×106kg·m2。4振蕩模式仿真分析在DIgSILENT/PowerFactory中對(duì)圖3所示電力系統(tǒng)進(jìn)行頻域特征值分析及時(shí)域仿真研究,分別考慮風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)前后系統(tǒng)特征根的變化情況,分析異步風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及阻尼特性的影響。觀察風(fēng)電機(jī)組采用改善的槳距角控制模型前后系統(tǒng)振蕩模式以及特征根在復(fù)平面的變化情況,通過設(shè)置系統(tǒng)故障在時(shí)域進(jìn)行仿真研究,分析槳距角控制模型對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的改善作用。在利用特征值分析方法對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí),只有所有特征值在復(fù)平面的左半部分時(shí),系統(tǒng)才是小干擾穩(wěn)定的,而且特征值距離復(fù)平面的虛軸越遠(yuǎn),系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍就越大。表1～表3分別為風(fēng)電場接入前、出力50%和100%時(shí)仿真系統(tǒng)的特征值。本文僅給出頻率范圍在0.1Hz～2.0Hz時(shí)的振蕩模式。表中:λ表示特征根;f表示振蕩模式對(duì)應(yīng)的振蕩頻率;ξ表示振蕩模式對(duì)應(yīng)的阻尼比。從表中數(shù)據(jù)可以看出,風(fēng)電場接入系統(tǒng)后僅靠系統(tǒng)平衡機(jī)調(diào)節(jié)有功平衡時(shí),對(duì)系統(tǒng)振蕩模式的影響與風(fēng)電場出力直接相關(guān),風(fēng)電場接入后較無風(fēng)電時(shí)系統(tǒng)振蕩模式?jīng)]有改變,增加了與風(fēng)電場強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式,但具有較好的阻尼特性。風(fēng)電場出力增加,即改變了系統(tǒng)運(yùn)行方式,但是系統(tǒng)振蕩模式及相應(yīng)的阻尼比沒有明顯變化,特征根在復(fù)平面的位置變化很小。本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組槳距角控制模型進(jìn)行改進(jìn),使槳距角控制系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)頻率變化做出反應(yīng)。適當(dāng)調(diào)節(jié)控制模型中的PID控制器參數(shù),使風(fēng)電機(jī)組針對(duì)系統(tǒng)阻尼比較低的振蕩模式產(chǎn)生阻尼作用,增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。仿真系統(tǒng)中取KP=0.1,KD=0.04,KI=0.025。圖4為風(fēng)電機(jī)組槳距角控制模型改進(jìn)前后系統(tǒng)特征根變化情況。圖5是設(shè)置線路三相短路故障,通過時(shí)域仿真比較槳距角控制模型改進(jìn)前后系統(tǒng)功率振蕩平息時(shí)間。風(fēng)電場考慮輸出功率為裝機(jī)容量的80%,即140MW。槳距角控制模型改進(jìn)后系統(tǒng)振蕩模式發(fā)生了改變,特征根在復(fù)平面遠(yuǎn)離虛軸,對(duì)應(yīng)振蕩模式的阻尼比增大。發(fā)生三相短路故障并經(jīng)過0.1s切除故障線路后,母線B和母線C之間僅一回線路相連,圖5中曲線為傳輸線路BC無故障線路傳輸功率波動(dòng)情況。采用改進(jìn)的槳距角控制模型后線路功率波動(dòng)平息時(shí)間較短,功率波動(dòng)幅值也有所下降。采用改進(jìn)后的槳距角控制模型后,從頻域特征根變化及時(shí)域的線路故障仿真分