彭亮

（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安710054）

影响风力发电机组并网系统稳定性的因素分析

彭亮

（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安710054）

为提高风力发电机组并网系统的稳定性，本文以双馈感应发电机为研究对象，研究风力发电机组并网时影响电力系统稳定性的因素，首先建立双馈感应发电机以及其控制系统的模型，并对其进行分析，然后建立风力发电机组并网系统的仿真模型，并对其进行计算机仿真，研究风力发电机组并网对电路系统造成的影响。仿真结果显示，在没有附加控制条件的情况下，基于DFIG的风电场其稳定性较差，容易在系统受到扰动时被切除处电网系统，因此，为了保证风力发电机组并网系统的稳定性，使并网系统能够在受到扰动后很快恢复稳定状态，必须对其增加附加控制条件。

风力发电机组并网；系统稳定性；双馈感应发电机；计算机仿真

风能作为可再生能源的一种，在实际应用中不会形成大量的噪音或气体，其原动力源自风，环保度高且“取之不竭，用之不尽”。以风能为原动力的风能发电机具备独一无二的优势，即风力发电厂建设速率快，经济与社会效益显著，属于分散装置，装机自主灵活度高[1-2]。在国内电力事业高速发展、能源紧缺的背景下，我国为进一步改善电源结构、满足节能减排需求，将加大清洁能源的发电效率，把风力发电归入能源发展战略中，风力发电机组并网作为新能源而成为研究重点[3-4]。但因其存在不平衡、随机特征，风场输出功率无法保持静态化，导致并网不能正常运作，对风电场规模的开拓造成负面影响。为保证风力发电的高效应用，推动现代社会的可持续发展，避免电网失去平衡，如何保障风力发电机组并网的系统稳定性是当前迫切需要处理的问题[5-7]。

目前风电与电网相接主要是通过大功率风电场来实现的，因而其大多直接与输变电压器相连接，这将会对电网的稳定性带来很大的影响，我们必须要研究风电厂并网对整个电力系统的动态特性所造成的影响[8]。通常风电系统中风机主要使用能够直接用于并网的恒速感应电动机（FSIG），或者经过电力电子变换器变换后能够并网的双馈感应发电机（DFIG）。文中以双馈感应发电机为研究对象，研究风力发电机组并网时影响电力系统稳定性的因素，首先建立双馈感应发电机以及其控制系统的模型，并对其进行分析，然后建立风力发电机组并网系统的仿真模型，并对其进行计算机仿真，研究风力发电机组并网对电路系统造成的影响。

1 风力发电系统模型

探讨风力发电机组并网的系统稳定性，首先要基于电力系统仿真计算程序来构建风电机组模型。其系统稳定性着重分析风电机组内感应发电机的运作、电网和发电机的电磁作用，风电机组架构则借助风力机风轮空气动力学与风电机组的柔性轴系模型来阐述。

风电机组并网双馈建模，可选择桨距角调节合理利用风能，降低风电机组机械构件的受力，在风速超出限定风速时需控制风力机桨距角，完成功率输出。调节转子回路，调成电网测变流器与转子侧变流器，基于IGBT导通与关断来控制双馈型感应发电机转子励磁电流[9-11]。通过双馈型风电机组能完成对无功功率与有功功率的解耦控制，进而实现对风力发电机组的整体控制。

如图1所示，风力系统主要由风力机，变速齿轮箱，机侧变频器，网侧变频器，电网等组成。本文中风电系统的发电机采用双馈感应发电机，其定子绕组直接与电网相连，并经由两个相背对的PWM变流器将电流接入电网。对转子绕组通入变频电流，使其产生变化的磁场，从而在定子中产生感应电动势，进而产生感应电流，形成电磁场，使转子在定子产生的磁场中受磁场力而转动，实现风电机组的变速恒频转动[12]。可通过对转子通入不同频率的电流来完成无功功率和有功功率的解耦控制，而风能转换成电能的效率则是通过控制桨距角来实现[13]。

图1 风电系统结构图

1.1 风机数学模型

风力发电系统的功能就是将风能转化为机械能，再通过发电机将得到的机械能转化为电能，实现风力发电。在风能与机械能的转变过程中，其主要是通过风吹动风机的叶片使其带动风机转子转动，将风能转变为风机转动的机械能。风速与空气动力的功率关系如式（1）所示：

空气动力转矩如式（2）所示：

其中ρ为空气密度，R为风机叶片半径，β为桨距角，wwr为风机转速，vweq为等效风速，λ为叶尖速比，其等于叶片半径与风机转速乘积与等效风速之比，Cp为风能转化为电能的效率，其由叶尖速比和桨距角决定，关系式如式（3）所示：

其中 λi由式（4）决定。

1.2 轴系模型

并网双馈风电系统的机械传动模块承担着将风能转化为机械能以及将机械能转变为电能的角色，当风力吹动风机叶片时带动低速传动轴转动，经过变速齿轮箱带动高速传动轴的转动，而高速传动轴与发电机相连，从而带动发电机转子转动产生电，完成从风能到机械能再到电能的转换[14-15]。为了方便模型的建立，本文将传统模块中的传动轴，变速齿轮箱，发电机等部分等效为一个个质点，通过一阶惯性环节进行描述，如式（5）所示：

其中Pm为发电机转子功率，Pw为风机机械功率，Jd为机械传动惯性时间常数。

1.3 发电机组控制系统

双馈风力发电机组有两种控制方式，一种是通过控制桨距角来实现对发电机组的控制，一种是通过变流器来改变通入风力机转子的电流从而控制感应电动势来达到控制发电机组的控制。

1）桨距角控制系统

当实际风速等于额定风速时，主要通过控制桨距角来控制发电机组，其系统框架如图2所示。由于自然风具有不稳定性，风速以及风向的改变将影响风机来捕获风能，此时可通过调节桨距角来改变风机叶片与风向的相对角度，从而调节风机来捕获风能[16-17]。

图2 桨距角控制系统结构图

而在控制桨距角的过程中，可以使用两种调节方式，一种是根据电网系统中反馈回来的调度信号来对桨距角进行调节，二是通过将风机的实际输出有功功率PEmeas与风机的最大输出有功功率PEref相减得到差值并代入到PI控制器中以获取参考值βREF，从而将偏差值输入系统中来控制桨距角。

2）双馈电动机变流器控制器

当实际风速小于额定风速时，主要通过变流器来改变通入风力机转子的电流从而控制感应电动势来达到控制发电机组的控制[18-19]。

文中所采用的发电机组控制系统如图3所示，其中变流器控制系统包括机侧变流器以及网测变流器控制。

图3 发电机组控制系统结构图

1）侧变流器控制

双馈风力发电机组利用侧变流器对通过转子的电流进行改变从而使感生电动势发生变化，对发电机转子的转速进行调控，实现有功功率以及无功功率的解耦控制。目前来说，较为常见的控制方法主要是以定子磁链定向为基础的的矢量控制法，该方法将定子合成磁链定义为dq同步旋转坐标系的d轴，同时通过建立发电机三阶模型，获得发电机组矢量控制系统，其结构如图4所示。

图4 侧变流器控制结构图

2）网侧变流器控制

网侧变流器的矢量控制的功能是能够在风电发电系统网侧变流器与电网之间进行无功功率以及有功功率解耦。对于有功功率的调节，可以通过改变有功电流的分量大小，保持直流母线的电压处于恒定值状态。对于无功功率的调节，可以通过改变无功电流风量大小来实现。

2 风电系统仿真

风力发电机组并网系统稳定性是指风电系统在受到外部扰动后系统各母线的电压始终能够处于系统误差允许的范围内。本文对风力发电机组并网系统在受到扰动时的动态响应特性进行研究来探究不同因素对风力发电机组并网系统稳定性的影响。

2.1 仿真系统

为了对文中所建立的桨距角控制模型的合理性，本文建立了并网风电系统作为仿真系统，其结构如图6所示。该风电系统风电场采用双馈风力发电机，运行时向并网系统输出有功功率，并从电网消耗无功功率。

文中用于试验的风电并网系统其风电系统由6台型号相同的双馈风力发电机组构成，每台风机的额定功率高达1.5 MW，将所有风机用一个仿真模块来等效表示，通过Matlab软件进行仿真模型的搭建。如图5所示，风电场的输出电压为690V，经过升压变压器变压后电压增大至25kV，再通过40km的架空线后再次经过升压变压器将电压增大至120kV，最后连接到电网。

图5 仿真系统

2.2 并网风电系统电压稳定性仿真分析

为了研究风力发电机组并网对电力系统电压稳定性的影响，分别对120kV处施加电压降落以及25kV处将单相以及两相接地模拟故障发生，从而进行仿真分析。

1）120kV侧发生电压降落

假设在15秒处120kV侧电压下降了0.2p.u.，通过仿真得到仿真结果，如图6所示。图6（a）从上往下分别为电压图，风速图；图6（b）从上往下分别为风电场输出电压，风电场输出有功功率P以及风机转速。

图6 120kV侧发生电压降落波形图

由图6（a）可以看出，当在15秒时电压下降了0.2p.u.，但由于由桨距角以及变流器的相互协调控制，输出电压基本能保存稳定，而输出有功功率在短暂下降后又能重新恢复到原来的大小。而在48.5秒左右，此时实际风速超过了额定风度，系统启动过速度保护将风电系统切除，因而在图6（b）中可以看到在48.5秒以后风电场的输出有功功率为0，此时风电场被系统切除。

2）25kV侧发生单相接地故障

风电场输出电压在经过升压变压器升压后从690V增加至25kV。假设当时间处于15秒时变压器T2的25kV处发生故障，其A相单相接地，并且在0.1s内又恢复正常，对系统进行仿真，仿真结果如图7所示，其中图7（a）从上至下分别为25kV以及690V侧ABC三相电压，7（b）从上至下分别为风电机转速以及输出有功功率。

图7 25kV处A相单相接地故障波形图

由图可以看出，当变压器T2的25kV处发生故障，其A相单相接地时，故障处A相电压下降为0，而B，C两相变为1.2p.u.，而风电场输出口的电压也受到影响，其下降为0.55p.u.。与此同时，风电场输出有功功率也受到了影响，但系统靠自身调节马上就恢复到稳定状态，输出有功功率也马上恢复到原来的大小。而在48.5秒左右，此时实际风速超过了额定风度，系统启动过速度保护将风电系统切除，因而在图7（b）中可以看到在48.5秒以后风电场的输出有功功率为0，此时风电场被系统切除。

3）25kV侧发生两相接地故障

假设当时间处于15秒时变压器T2的25kV处发生故障，其AB相单相接地，电压在0.1秒后恢复正常，对这一情况进行仿真，其仿真结果如图8所示。其中图8（a）从上至下分别为25kV以及690V侧ABC三相电压，8（b）从上至下分别为风电机转速以及输出有功功率。

由图 8（a）可得，当变压器T2的25kV处发生故障，其AB相单相接地时，故障处AB两相电压下降为0，而C项电压为1.4p.u.，而风电场输出口的电压也受到影响，其下降为0.1p.u.。从图8（b）可以看到，在15.11秒时，由于放电机转速过小，输出电压过低而启动低压保护措施，此时风电场的输出有功功率为0，风电场被系统切除。

图8 25kV处AB相单相接地故障波形图

3 结束语

为了提高风力发电机组并网系统的稳定性，本文以双馈感应发电机为研究对象，研究风力发电机组并网时影响电力系统稳定性的因素，首先建立双馈感应发电机以及其控制系统的模型，并对其进行分析，然后建立风力发电机组并网系统的仿真模型，并对其进行计算机仿真，研究风力发电机组并网对电路系统造成的影响。仿真结果显示，在没有附加控制条件的情况下，基于DFIG的风电场其稳定性较差，容易在系统受到扰动时被切除处电网系统，因此，为了保证风力发电机组并网系统的稳定性，使并网系统能够在受到扰动后很快恢复稳定状态，必须对其增加附加控制条件。

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Analysis of factors to affect stability of grid connected wind turbines system

PENG Liang
（Electrical and Controlling Engineering Academy，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

In order to improve the stability of grid connected wind power generation system，this paper studies the factors that affect the stability of power system.Firstly，the model of the doubly fed induction generator and its control system is established and analyzed.Then，the simulation model of the gridconnected system of the wind turbine is established and the computer simulation is carried out to study the influences on the wind turbine generating system and the circuit system.The simulation results show that the DFIG-based wind farm is less stable and has no additional control conditions.It is easy to be cut off at the system when the system is disturbed.Therefore，in order to ensure the stability of the wind turbine system，So that the grid-connected system can quickly become stable after being disturbed and must add additional control conditions to it.

wind turbine grid-connected； system stability； doubly fed induction generator； computer simulation

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0085-05

2016-12-29稿件编号：201612219

彭 亮（1990—），男，陕西汉中人，硕士研究生。研究方向：电力系统自动化综合控制。