基于PSCAD_EMTDC的大型并網(wǎng)風(fēng)電場建模與仿真

1、第37卷第21期電力系統(tǒng)保護(hù)與控制Vol.37 No.21 2009年11月1日 Power System Protection and Control Nov. 1, 2009 基于PSCAD_EMTDC的大型并網(wǎng)風(fēng)電場建模與仿真李環(huán)平,楊金明(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東 廣州 510640摘要:由幾百臺風(fēng)機(jī)驅(qū)動鼠籠電機(jī)所組成的風(fēng)電場將會給電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量的問題。為了研究風(fēng)電場對電網(wǎng)動態(tài)特性的影響,建立合適的風(fēng)電場模型來描繪由許多單個風(fēng)機(jī)組成的動態(tài)特性是一個重要課題。給出了恒速風(fēng)電機(jī)構(gòu)成的風(fēng)電場的不同動態(tài)模型,包括不同的等值模型和無功補(bǔ)償裝置的模型。這些模型在PSCAD/EMTDC的軟件中建

2、立,并以南澳風(fēng)電場接入汕頭電網(wǎng)為實例,結(jié)合擾動和電網(wǎng)故障情況下的仿真研究來進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞: 并網(wǎng)風(fēng)電場;動態(tài)運(yùn)行;等值方法;定速異步發(fā)電機(jī);等值模型;無功補(bǔ)償Model and simulation of large grid connected wind farm based on PSCAD_EMTDCLI Huan-ping,YANG Jin-ming(Electric Power of College,South China University of Technology,Guangzhou510640,ChinaAbstract: The wind park that aggre

3、gates hundreds of wind-turbine driven squirrel cage induction generators will bring power quality problems to the grid. To study the impact of wind farm on the dynamics of the power system, an important issue is to develop appropriate wind farm models to represent the dynamics of many individual WTG

4、s. This paper presents various dynamic models, including various equivalent models and models of reactive power compensation, of wind farm with fixed-speed WTGs. These models are developed and compared by simulation studies in the PSCAD/EMTDC environment under fluctuation conditions as well as grid

5、fault conditions,which take Nanao wind park connected to the grid of Shantou as an example.Key words: grid connected wind farms;dynamic operation; equivalent methods;fixed speed induction generator; equivalent model;reactive power compensation中圖分類號: TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: 1674-3415(200921-0062-050 引言與日

6、俱增的電能消耗不可避免的加劇了化石燃料儲存量的減少,同時人類對“綠色能源”有著迫切的需求。在眾多的可再生能源中,風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)的能源發(fā)電相比,已證明了它的潛力和可競爭性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)組成。恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般通過變壓器和傳輸線路直接并入地區(qū)的局部電網(wǎng)。由于異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在輸出有功功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率,導(dǎo)致接入端的電壓下降,因而需在機(jī)端加無功補(bǔ)償裝置提供無功來提升機(jī)端的電壓。同時,風(fēng)機(jī)輸出功率隨風(fēng)速變化波動,引起電網(wǎng)電壓波動和閃變以及頻率的變化,危害電網(wǎng)的電能質(zhì)量。目前在中國,風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比例都較小,風(fēng)能對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響將主要

7、是接入電網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量。但是近幾年來,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,成為電網(wǎng)電源的重要組成部分。因而,電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題則變得更加重要。即使在電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時,風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)也要維持相連。因此,要求風(fēng)電場具有很好的故障穿越能力。由于技術(shù)的限制,風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量仍只有幾兆瓦,因此大規(guī)模風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量眾多(少則幾十臺,多則上百臺,如果用異步發(fā)電機(jī)的全暫態(tài)模型表示風(fēng)電場中的每臺發(fā)電機(jī),這種全暫態(tài)模型(詳細(xì)模型是一種高階模型。在用計算機(jī)分析時,計算量非常大,所使用的計算時間長,占有的內(nèi)存大,并且在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及計算結(jié)果的分析方面也是困難重重。另一方面,在研究整個風(fēng)電場對電網(wǎng)系統(tǒng)

8、的影響時,并不需要考慮每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對電網(wǎng)的單獨(dú)影響;而且在研究風(fēng)電場系統(tǒng)中各種無功補(bǔ)償器對電網(wǎng)電壓的影響時,也只要風(fēng)電場整個系統(tǒng)的模型。因此,這種詳細(xì)模型不適合用來研究整個風(fēng)電場對電網(wǎng)的動態(tài)性能的影響。相反,如果研究電網(wǎng)故障對風(fēng)電場的影響時,可以將相同容量或具李環(huán)平,等 基于PSCAD_EMTDC 的大型并網(wǎng)風(fēng)電場建模與仿真 - 63 -有相同特性的機(jī)組等值為一臺機(jī)組來研究,這樣整個風(fēng)電場則等值為一臺或幾臺機(jī)組。1 等值原理和機(jī)群劃分1.1 等值原理由以上分析看出,可以用等值模型來降低風(fēng)電場模型的復(fù)雜性,通過建立合適的等值模型來描繪風(fēng)電場的動態(tài)特性和控制策略。一般來說,為簡化問題,通常按照

9、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實際安裝位置以及發(fā)電機(jī)組的類型為原則進(jìn)行劃分,本文中只考慮恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這一類型。在文獻(xiàn)48中,假設(shè)風(fēng)電場地所有風(fēng)速是相同的,這樣把所有的風(fēng)機(jī)等值為一臺風(fēng)機(jī)。然后再采用一種等值的風(fēng)速來驅(qū)動這臺經(jīng)過等值的風(fēng)機(jī)。然而,風(fēng)機(jī)從風(fēng)中所捕獲的機(jī)械功率與風(fēng)速的三次方成正比,這里的等值不能簡單地把風(fēng)速加起來,更合理的等值辦法是將所有風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率相加之和作為等值風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率。然后再用等值后的機(jī)械功率輸入到事先已等值好的異步發(fā)電機(jī)中。其等值后并接入電力系統(tǒng)的簡單示意圖如圖1所示。由于實際中地形因素和尾流效應(yīng)的影響,流過風(fēng)電場中排列在不同位置上風(fēng)機(jī)的風(fēng)速是不同的。因此,另外一種等值辦法是將

10、吸收相同風(fēng)速的風(fēng)機(jī)等值成一臺風(fēng)機(jī),這樣,整個風(fēng)電場就等值為幾臺吸收不同風(fēng)速的風(fēng)機(jī),每臺風(fēng)機(jī)再驅(qū)動同等容量的等值異步發(fā)電機(jī)。這種等值后接入電網(wǎng)的簡單示意圖如圖2所示。 1.2 機(jī)群劃分 根據(jù)文獻(xiàn)11,異步發(fā)電機(jī)等值機(jī)群的劃分可以采用異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械暫態(tài)數(shù)學(xué)模型方程組的特征值為依據(jù),該特征值決定了電機(jī)在電壓發(fā)生小擾動時的動態(tài)特性。依據(jù)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械暫態(tài)運(yùn)動方程:Jr e d d sT T T t = (1 式中:J 2H T =,異步發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)電磁扭矩按型電路計算,當(dāng)頻率保持額定值,可認(rèn)為轉(zhuǎn)速=1,忽略定子電阻R s ,則可得發(fā)電機(jī)電磁扭矩:21e crcr U X T s s ss =+

11、(2式中:s 為轉(zhuǎn)差率,rcr 1R s X =,1s r X X X =+(rR 為轉(zhuǎn)子電阻,s X 、r X 分別為定子電抗和轉(zhuǎn)子電抗。將式(2在額定滑差Ns附近線性化可得:2N2cr cr e 221Ncr cr s s U s s T X s s s =+i(3 式中:Ns一般較小可以忽略,假定風(fēng)輪機(jī)機(jī)械扭矩r T 恒定,r T =0,由式(2和式(3可得:2NJ rU s s T R = (4因此特征值為:2NJ rU T R =。將特征值相近的一組異步電機(jī)劃分為一個機(jī)群,然后將每個機(jī)群等效為一臺發(fā)電機(jī)。本文中的仿真實例采用所有異步發(fā)電機(jī)都聯(lián)接在同一母線上,故各發(fā)電機(jī)的端電壓N U

12、相同。因而,各發(fā)電機(jī)的特征值取決于慣性時間常數(shù)與轉(zhuǎn)子電阻的乘積J r T R ,當(dāng)幾個發(fā)電機(jī)組的J r T R 相近時,可以劃為一組。依據(jù)仿真要求,需要進(jìn)行慣性時間常數(shù)、初始運(yùn)行滑差、定子電阻電抗和轉(zhuǎn)子電阻電抗、激磁電抗的等值。又根據(jù)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)的三階公式,還需等值的物理量有轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)、同步電抗和暫態(tài)電抗等。圖1恒速異步發(fā)電機(jī)等值成單臺接入電網(wǎng)Fig.1 Model of grid connected fixed-speed generators equaledto one equivalent generator圖2恒速異步發(fā)電機(jī)等值成多臺接入電網(wǎng)Fig. 2 Model of

13、 grid connected fixed-speed generators equaledto several equivalent generators2 PSCAD/EMTDC 中的模型描述PSCAD/EMTDC 中已包含風(fēng)速、風(fēng)輪機(jī)、鼠籠- 64 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制式異步電機(jī)、漿距角控制模塊、變壓器、傳輸線等模塊。風(fēng)速是風(fēng)力機(jī)的原動力,它的模型相對于風(fēng)電機(jī)組比較獨(dú)立。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究中,為了較精確地描述風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn),本文中沿用國內(nèi)外使用較多的風(fēng)力四分量模型,各分量分別為基本風(fēng)wM v 、陣風(fēng)wG v 、漸變風(fēng)wR v 和噪聲風(fēng)wN v 。所以風(fēng)速w wM wG wR

14、wN v v v v v =+ (5 風(fēng)輪機(jī)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式2為:(3R p w 1,w 2C v P A = (6 (12.5=(731=+(8式中:w P 為風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能,為空氣密度,3kg m ;p C 為風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù);R A 為風(fēng)輪掃過的面積;w v 為風(fēng)速,ms ;為葉尖速比;i 為中間變量;為葉片漿距角,(°。3 無功補(bǔ)償裝置 目前國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型為變速風(fēng)電機(jī)組,我國國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)商的主流機(jī)型仍為固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組,目前國家鼓勵風(fēng)電場建設(shè)項目的國產(chǎn)化。因而,在未來一段時間內(nèi),固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組仍將在我國風(fēng)電場大量存在。固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組一

15、般采用異步發(fā)電機(jī),發(fā)出有功功率的同時吸收無功功率,風(fēng)電場功率因數(shù)低,系統(tǒng)母線電壓下降得最嚴(yán)重。因此固定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時可能導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。電壓穩(wěn)定問題將是我國風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行中普遍存在的問題,因而機(jī)端要求有理想的無功補(bǔ)償裝置。目前,電力系統(tǒng)基本上采用的是斷路器投切無功補(bǔ)償電容器組。斷路器具有動作速度慢、投切電容器時必然產(chǎn)生合閘涌流以及操作過電壓(即投切過渡過程,嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,尤其造成電容器自身損壞。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,僅此造成的損失相當(dāng)可觀3。大功率高速通斷電力電子器件可控硅替代傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備,從而徹底解決開關(guān)觸點(diǎn)機(jī)械動作的延時性和分散性與工頻正弦交流電源電壓變化的快速性和周期性之

16、間的矛盾。晶閘管電力電子開關(guān)控制的電容器TSC (Thyristor Switched Capacitor 無功補(bǔ)償裝置具有響應(yīng)速度快、開關(guān)可以頻繁動作、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。屬于靜止補(bǔ)償器的一種,比固定電容器或者交流接觸器控制的電容柜特性要優(yōu)越。常見的電容器接線圖有以下幾種(如圖3所示:a三相控制的三角形接線方式;b采用二極管代替部分晶閘管組成的半控開關(guān)接線方式;c采用星型接線方式:d沒有B相晶閘管開關(guān)、只控制A 、C 兩相的接線方式。圖3 常見的電容器接線圖Fig.3 Common connection diagram of capacitor通常抑制沖擊電流的電感L 不大,本文在建立TSC 的模

17、型時忽略了圖中的電感并采用星型接線方式,圖4是本文中所建的一組TSC 的接線圖。但其無功功率調(diào)節(jié)能力受有功功率、機(jī)端電壓的影響,且其調(diào)節(jié)屬有級調(diào)節(jié),是分段進(jìn)行投切電容器組的。其投切過程會產(chǎn)生沖擊電流,不利于電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。本文TSC采用的是電壓控制策略,無功補(bǔ)償容量設(shè)定為額定風(fēng)速時風(fēng)電場出力的30%。圖4 一組TSC的接線圖Fig.4 Connection diagram of a group of TSC為減小風(fēng)電場對電網(wǎng)的不利影響,文獻(xiàn)10分析了靜止無功補(bǔ)償器SVC (static var compensator進(jìn)行集中補(bǔ)償時的作用。本文也采用了SVC 來補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)處的無功功率。采用了TC

18、R-TSC 型SVC,其具有快速、平滑調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)勢,屬無級調(diào)節(jié)。與TSC 相比,具有更好的動態(tài)性能。但是,SVC 的無功功率調(diào)節(jié)能力也受有功出力、機(jī)端電壓和SVC 容量的影響。本文的SVC 補(bǔ)償采用電壓和無功功率綜李環(huán)平,等 基于PSCAD_EMTDC 的大型并網(wǎng)風(fēng)電場建模與仿真 - 65 -合控制策略。 4 算例研究及仿真結(jié)果4.1 算例研究 以南澳風(fēng)電場接入汕頭電網(wǎng)的項目作為研究對象,其中南澳風(fēng)電場恒速異步發(fā)電機(jī)組(包括華能1期750 kW18臺、福澳200 kW15臺、南方500 kW11臺和丹南600 kW40臺,風(fēng)能1-6期等風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘考s為53.8 MW ,本文以其作為仿

19、真實例,分別按第一部分所介紹的兩種等值方法進(jìn)行等值和仿真,第一種等值方法為將所有的恒速異步發(fā)電機(jī)組等值為一臺容量為53.8 M 的等值機(jī),第二種等值方法為分別將華能1期、福澳、南方、丹南、風(fēng)能1-6期各等值為一臺,這種情況下將南澳風(fēng)電場等值為5臺。考慮當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障(10 s 時PCC 點(diǎn)發(fā)生三相接地短路故障,故障持續(xù)時間為0.12 s ,并對這兩種仿真結(jié)果進(jìn)行比較。 4.2 仿真結(jié)果圖5為等值成單臺風(fēng)機(jī)和等值成兩臺風(fēng)機(jī)時的風(fēng)速波形圖,本文假設(shè)兩種等值情況的風(fēng)速相同,兩種情況的風(fēng)速都由基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)組成。3 s 吹來陣風(fēng),陣風(fēng)的幅值為1 m/s,持續(xù)時間為2 s ;7 s 吹

20、來漸變風(fēng),漸變風(fēng)的幅值為1 m/s ,持續(xù)時間為1 s ;在整個仿真時間中都加有噪聲風(fēng)。圖68為兩種等值方法時PCC 點(diǎn)的有功功率波形圖、無功功率波形圖以及電壓有效值的波形圖。 圖5 兩種等值情況下的風(fēng)速波形圖Fig.5 Wind graph of the two equivalent methods 圖6 PCC點(diǎn)有功功率的波形圖Fig.6 The graph of active power at PCC圖7 PCC點(diǎn)無功功率的波形圖Fig.7 The graph of reactive power at PCC圖8 PCC點(diǎn)線電壓有效值波形圖Fig.8 The graph of RMS o

21、f line voltage at PCC5 結(jié)論由圖6 8的仿真結(jié)果可以看出,在各種情況下(等值成1臺、等值成5臺機(jī)組情況下,風(fēng)電場發(fā)電系統(tǒng)中l(wèi)0 kV 母線處的有功功率、無功功率、線電壓有效值的靜態(tài)曲線都非常吻合。在動態(tài)時,即系統(tǒng)加載了三相短路故障后,兩種等值前后的仿真結(jié)果也都基本吻合。但在局部動態(tài)特性振蕩時段內(nèi),各等值前后的響應(yīng)曲線有一定誤差。等值處理的最大好處是在保證系統(tǒng)等值前后仿真要求的前提下,等值后的系統(tǒng)仿真大大節(jié)省了時間和計算機(jī)內(nèi)存。當(dāng)取仿真時間為14 s ,由于受仿真計算機(jī)條件所限(PD/2.66 GHz/512 M,在實際仿真過程中,等值為1臺的仿真時間約3 min ,等值為

22、5臺時約12 min ,如果將風(fēng)電場等值為更多臺機(jī)組或是不進(jìn)行等值處理,仿真時間將會更長,普通的微型計算機(jī)是難以承受的。同時由于PSCAD 軟件建模的節(jié)點(diǎn)數(shù)限制(專業(yè)版節(jié)點(diǎn)數(shù)限制為200,等值為更多臺將會導(dǎo)致仿真不能運(yùn)行。 參考文獻(xiàn)1 Wei Q ,Harley R G ,Venayagamoorthy G K .DynamicModeling of Wind Farms with Fixed-Speed Wind Turbine GeneratorsA.in :Power Engineering Society General MeetingC. 2007 .1-8.2 Heier S .G

23、rid Integration of Wind Energy Conversion- 66 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制SystemM.Chichester:Tohn Wiley&Sons Ltd, 1998. 3 靳建峰,李洪濤,沈黎明,等.集合式并聯(lián)電容器故障、不正常運(yùn)行分析及防范措施J.電力電容器,2006,(2: 40-42.JIN Jian-feng, LI Hong-tao, SHEN Li-ming, et al.Analysis and Measure of Parallel Assembling Capacitorwith Malfunction and Abnormal

24、OperationJ. PowerCapacitor, 2006,(2: 40-42.Models of Wind Farms with Fixed Speed WindTurbinesJ.Renewable Energy, 31:1203-1230.5 Akhmatov V,Knudsen H.An Aggregate Model of aGrid-connected,Large-scale,Offshore Wind Farms forPower Stability Investigations-importance of WindmillMechanical SystemJ.Electr

25、ical Power and EnergySystems,2002,24:709-717.6 Ledesma P,Usaola J,Rodriguez L.Transient Stabilityof a Fixed Speed wind FarmJ.Renewable Energy,2003,28:1341-1355.7 Akhmatov V. Analysis of Dynamic Behavior of ElectricPower System with Large Amount of Wind Power,Doctoral DissertationD.Technical Universi

26、ty ofDenmark, 2003.8 Salman S K,Teo A L J.Windmill ModelingConsideration and Factors Influencing the Stability of aGrid-connected Wind Power-based EmbeddedGeneratorJ.IEEE Trans on Power Systems,2003,18(2:763-802.9 孫建鋒.風(fēng)電場建模和仿真研究(碩士學(xué)位論文D.清華大學(xué),2004.10 Akhnmatov V,Sobrink K.A Static var CompensatorMode

27、l for Improved Ride-through Capability of WindFarmsJ.Wind Engineering,2004,28(6:715-728. 11 鞠平,馬大強(qiáng).電力系統(tǒng)負(fù)荷建模M.北京:水利電力出版社,1995.12 Akhmatov V,Knudsen H.An Aggregate Model of aGrid-connected,Large-scale,Offshore Wind Farm forPower Stability InvestigationsImportance of WindmillMechanical SystemJ.Electric

28、al Power and EnergySystems,2002,(24:709-717.13 Pöller M,Achilles S.Aggregated Wind Park models forAnalyzing Power System DynamicsEB/OL.30.收稿日期:2008-11-19作者簡介:李環(huán)平(1986-,男,碩士研究生,主要研究方向為電楊金明(1962-,男,副教授,主要研究方向為控制理論及其電氣傳動在新能源中的應(yīng)用。(上接第35頁 continued from page 35XIONG Hui-min,FANG Xin-yan,YU Wei-yong, et al.TheSummary of Black-Start-Restoration of Electrical PowerSystem after BlackoutJ. Proceedings of the EPSA, 1999,11(3: 12-17.9高遠(yuǎn)望, 顧雪平, 劉艷, 等. 電力系統(tǒng)黑啟動方案的自動生成與評估J. 電力系統(tǒng)自動化, 2004, 28(13:50-54.GAO Yuan-wang, GU Xu